Упругость и пластичность

Мы видели, что от материала, из которого изготовлено тело, существенно зависит величина его деформации.

К числу чрезвычайно важных свойств материала относятся упругость и пластичность. Что это за свойства материала и какую роль играют они в технике? Обратимся снова к опыту. Изогнём слегка деревянную линейку и отпустим её. Мы увидим, что она распрямится и примет прежнюю форму. Значит, под действием силы линейка деформировалась, а по прекращении действия силы деформация линейки исчезла полностью.

Деформации, исчезающие в теле после прекращения действия сил, называют упругими деформациями.

Свойство же материала, состоящее в том, что тела, изготовленные из него, под действием сил деформируются, а при исчезновении сил восстанавливают свою форму и объём, называется упругостью.

Повторим опыт с деревянной линейкой, но на этот раз согнём её сильнее; мы увидим, что линейка разогнётся, но окончательно не выпрямится. Деформация в ней полностью не исчезнет. Деформация, остающаяся в теле после прекращения действия сил, называется остаточной деформацией.

Подробнее...

Твёрдость

Под твёрдостью материала понимают его способность оказывать сопротивление проникновению в него другого более твёрдого тела.

Твёрдость приходится учитывать при использовании материала в различного рода сооружениях, а также при изготовлении режущих инструментов – свёрл, резцов, фрез и др.

Для определения твёрдости металлов существует несколько способов. Одним из наиболее распространённых является способ, заключающийся во вдавливании стального закалённого шарика в испытуемый металл.

Если вдавливать в испытуемый металл силой Р стальной закалённый шарик диаметром D, то шарик проникнет на некоторую глубину h в металл и оставит в нём отпечаток в виде круглой луночки диаметром d.

Величина, характеризующая твёрдость, обозначается через Нв и вычисляется по формуле:

Нв = P/S (кГ/мм2)

Испытания на твёрдость часто производят на готовых изделиях. Чем меньше толщина изделия, тем меньшего диаметра берётся шарик и тем с меньшей силой он вдавливается в изделие.

Подробнее...

Поверхностное натяжение

Рассмотрим действие молекулярных сил на молекулу в глубине и на поверхности жидкости.

На рисунке кружочек А изображает молекулу внутри жидкости, а В – на поверхности. Молекула А со всех сторон окружена другими молекулами той же жидкости, притягивающими её. В среднем все молекулярные силы, действующие на молекулу А, взаимно уравновешены. В ином положении находится молекула В. Над ней находится газ, плотность которого мала по сравнению с плотностью жидкости. Поэтому действием молекул газа на молекулу В можно пренебречь; остаётся действие молекулярных сил жидкости, равнодействующая которых направлена перпендикулярно к поверхности внутрь жидкости. Под действием этих сил часть молекул жидкости уходит с поверхности внутрь жидкости. Поверхностный слой жидкости при этом сокращается и находится в состоянии своеобразного натяжения.

Многие свойства поверхностного слоя жидкости могут быть объяснены, если рассматривать его в виде тонкой плёнки с постоянным натяжением независимо от её формы и размера.

Наглядное представление об этом дают следующие опыты с мыльными плёнками.

На рисунке изображено проволочное кольцо с привязанной к нему в двух точках нитью. Получив на кольце жидкую плёнку, можно заметить, что нить лежит на ней свободно. Но если прорвать плёнку с какой-нибудь стороны нити, то нить натянется, приняв форму дуги окружности.

Подробнее...

Смачивание

Вынув из стакана с водой опущенную туда чистую стеклянную пластинку, мы заметим, что пластинка покрыта водой. К картонной же пластинке, покрытой парафином или жиром, вода не пристаёт.

При соприкосновении твёрдых тел с жидкостями наблюдаются явления смачивания или несмачивания. Вода смачивает чистое стекло, но не смачивает парафин; ртуть смачивает цинк, но не смачивает чугун.

Смачивание жидкостью твёрдого тела объясняется тем, что сцепление между молекулами жидкости и смачиваемого твёрдого тела сильнее, чем сцепление между молекулами жидкости. В том случае, когда жидкость не смачивает твёрдого тела, взаимное притяжение молекул жидкости между собой больше, чем притяжение их к молекулам твёрдого тела.

Это различие в притяжении молекул жидкости к твёрдому телу заметно, если налить небольшое количество жидкости на пластинку твёрдого тела. Если жидкость смачивает твёрдое тело, она растекается по поверхности тела. Если же жидкость не смачивает твёрдого тела, то она не растекается.

Подробнее...

Пластическая деформация

Металлы обладают более высокой прочностью по сравнению с другими материалами, поэтому детали машин, механизмов и многих сооружений обычно изготовляют из металлов.

Для изготовления режущих и других инструментов применяют специальные инструментальные стали. Измерительные инструменты, например, изготовляют из особых сортов стали, содержащих примеси хрома, никеля, молибдена, марганца. После закалки сталь такого состава обладает повышенной прочностью.

Большое значение в машиностроении имеют упругие свойства материалов. При работе машины её детали подвергаются действию различных нагрузок и деформируются под их действием. Очевидно, что эти деформации не должны быть остаточными, иначе нарушилась бы работа машин: одни детали машины укоротились бы, другие, наоборот, удлинились, третьи изогнулись и т. д. В конце концов, машина перестала бы работать.

Пластические свойства металлов широко используют при их обработке давлением: при прокатке, волочении, штамповке, ковке и т. д.

Ковка

Ковкой называется обработка металла давлением, в результате которой изменяется как внешняя форма, так и структура металла.

Существуют два вида ковки: свободная ковка и ковка в штампах.

Подробнее...

Прочность

Запас прочности

Первое требование, предъявляемое ко всякому сооружению или изделию, - это прочность. Прочностью материала называется его свойство сопротивляться действию внешних сил, не разрушаясь.

Напряжение, при котором материал, подвергнутый деформации, начинает разрушаться, называется пределом прочности.

Для некоторых материалов предел прочности указан ниже в таблице.

Вполне очевидно, что в различных сооружениях во избежание поломок и разрушений нельзя нагружать детали так, чтобы напряжение было равно или близко к пределу прочности. Практически допускаемое напряжение выбирают так, чтобы оно составило лишь некоторую часть от предела прочности.

Число, показывающее, во сколько раз предел прочности больше допускаемого напряжения, называется запасом прочности или коэффициентом безопасности.

Подробнее...

Молекулярное движение в жидкостях

В жидкостях молекулы расположены значительно более близко друг к другу, чем в газах. Такое заключение можно сделать на основании того, что плотность воды, например, при нормальном давлении и температуре кипения почти в 1670 раз больше, чем плотность её пара. Поэтому характер движения молекул жидкости и многие ее свойства в значительной степени определяются силами взаимодействия между молекулами.

Основное свойство жидкости – текучесть. Все жидкости, подобно газам, обладают текучестью; поэтому жидкость принимает форму того сосуда, в котором она находится. В небольших количествах свободная жидкость принимает форму, близкую к шарообразной. Шаровую форму, например, имеют капли дождя или капли, на которые разбивается струя жидкости.

Большая капля ртути, помещённая на горизонтальную стеклянную пластинку, приплюснута, маленькая шарообразна.

Если накрыть шарообразную каплю пластинкой, то под действием веса пластинки она сплющивается. Приплюснутость большой капли объясняется преобладанием веса над молекулярными силами в жидкости. Можно ожидать, что если предоставить жидкость действию лишь собственных молекулярных сил, то она примет шарообразную форму. Опыт подтверждает такое предположение.

Подробнее...

Пространственные решётки

Исследования кристаллов при помощи рентгеновских лучей, начатые в 1912 г., доказали, что правильность форм кристаллов объясняется упорядоченным расположением атомов внутри кристалла.

Если соединить атомы кристалла прямыми линиями, то получится так называемая пространственная решётка. Отдельные атомы, составляющие кристаллы, находятся в узлах – точках пересечения линий, образующих решётку. Часто в узлах пространственной решётки находятся положительно или отрицательно заряженные атомы – ионы. На рисунке изображена схема пространственной решётки поваренной соли. Каждый положительный ион Na находится между отрицательными ионами Cl, и каждый отрицательный ион Cl находится между положительными ионами Na. Внутренние силы, заставляющие ионы Na и Cl держаться друг около друга, – это силы электрического притяжения.

Разнообразие встречающихся форм кристаллов объясняется различными формами пространственных решёток.

Подробнее...

Кристаллические и аморфные тела

Различают два рода твёрдых тел: кристаллические и аморфные. Оба эти рода тел существенно отличаются друг от друга по своим физическим свойствам.

Основной признак однородного кристаллического тела – неодинаковость его физических свойств по различным направлениям: теплового расширения, теплопроводности, электропроводности, механической прочности и др. Это свойство кристаллов называют анизотропией.

Покроем пластинку гипса и пластинку стекла тонким слоем воска или парафина и прикоснёмся к ним накалённой иглой. Мы увидим, что вокруг точки прикосновения О парафин расплавится, причём граница расплавленной площади на кристаллической пластинке гипса представляет собой эллипс, на стеклянной же пластинке – окружность.

Этот опыт показывает, что в отличие от стекла теплота в кристаллическом гипсе при его нагревании распространяется в разных направлениях неодинаково.

Существенным внешним признаком кристалла служит его правильная геометрическая форма, причём характерный признак кристаллической формы – одинаковость соответствующих углов между гранями кристаллов одного и того же вещества.

Примеры кристаллических тел: кристаллы металлов, поваренной соли, медного купороса, кварца, квасцов и др. На рисунке изображено семейство кристаллов горного хрусталя.

Подробнее...

Применение сжатых газов

Многие сжатые газы в настоящее время находят широкое применение в технике.

Сжатый воздух, например, применяется в работе различных пневматических инструментов: отбойных молотков, заклёпочных молотков, в разбрызгивателях краски и др.

На рисунке показана схема устройства отбойного молотку. Сжатый воздух подаётся в молоток по шлангу М. Золотники Z, аналогичные применяемым в паровых машинах, направляют его поочередно то в заднюю, то в переднюю часть цилиндра. Поэтому воздух давит на поршень Р то с одной, то с другой стороны, что вызывает быстрое возвратно – поступательное движение поршня и пики молотка В. Последняя наносит быстро следующие друг за другом удары, внедряется в уголь и откалывает куски его от массива.

Существуют также пескоструйные аппараты, которые дают сильную струю воздуха, смешанную с песком. Эти аппараты применяют, например, для очистки стен. Сейчас нередко можно видеть работу специальных аппаратов, применяемых для окраски стен, где краску распыляет сжатый воздух. Сжатым воздухом открывают двери вагонов метро и троллейбусов. Сжатый воздух используют в работе тормозов на транспорте.

Подробнее...

Коэффициент поверхностного натяжения

Дадим теперь количественную характеристику поверхностного натяжения. Проведём следующий опыт. Нальём в бюретку В воды и откроем немного кран К так, чтобы из бюретки медленно капала вода. Можно заметить, что каждая капля постепенно растёт, отрывается и падает. Если спроецировать конец бюретки с каплей на экран, то видно, что по мере роста капли между ней и жидкостью в трубке образуется шейка, постепенно суживающаяся. Отрыв капли С происходит по окружности шейки АВ. Следовательно, эта окружность в момент отрыва является границей поверхностного слоя. Вдоль неё действуют силы поверхностного натяжения, направленные вверх и удерживающие каплю.

Силы поверхностного натяжения распределены по длине линии, поэтому для установления искомой нами количественной характеристики может служить величина силы поверх постного натяжения, действующая на единицу длины линии.

Отношение силы поверхностного натяжения к длине границы поверхностного слоя жидкости называется коэффициентом поверхностного натяжения.

Обозначим коэффициент поверхностного натяжения буквой σ  (греч. «сигма»). Тогда согласно определению:

Подробнее...

НАУЧНЫЕ РАЗДЕЛЫ