Свойства на веществата - Наука и образование
Видяхме, че степента на неговата деформация зависи основно от материала, от който е направено тялото.
Еластичността и пластичността са сред изключително важните свойства на материала. Какви са тези свойства на материала и каква роля играят в технологията? Да се върнем към опита. Огънете леко дървената линийка и я освободете. Ще видим, че се изправя и приема предишната си форма. Това означава, че под действието на силата линийката се е деформирала, а след прекратяване на силата деформацията на линийката е изчезнала напълно.
Деформациите, които изчезват в тялото след прекратяване на действието на силите, се наричат еластични деформации.
Свойството на материала, което се състои в това, че изработените от него тела се деформират под действието на сили и когато силите изчезнат, възстановяват формата и обема си, се нарича еластичност.
Нека повторим опита с дървена линийка, но този път ще я огънем повече; ще видим, че линийката ще се изправи, но няма да се изправи напълно. Деформацията в него няма да изчезне напълно. Оставащата в тялото деформация след прекратяване на силите се наричаостатъчна деформация.
Твърдостта на даден материал се разбира като неговата способност да устои на проникването на друго по-твърдо тяло в него.
Твърдостта трябва да се вземе предвид при използването на материала в различни видове конструкции, както и при производството на режещи инструменти - свредла, фрези, фрези и др.
Има няколко начина за определяне на твърдостта на металите. Един от най-разпространените методи е да се притисне топка от закалена стомана в изпитвания метал.
Ако закалена стоманена топка с диаметър D се притисне в изпитвания метал със сила P, тогава топката ще проникне до определена дълбочина h в металаи ще остави отпечатък в него под формата на кръгъл отвор с диаметър d.
Стойността, характеризираща твърдостта, се обозначава с Hb и се изчислява по формулата:
Hv = P /S (kg/mm2)
Тестовете за твърдост често се извършват върху готови продукти. Колкото по-малка е дебелината на продукта, толкова по-малък е диаметърът на топката и толкова по-малко сила се притиска в продукта.
Повърхностно напрежение
Разгледайте действието на молекулните сили върху молекула в дълбочина и върху повърхността на течност.
На фигурата кръг A представлява молекула вътре в течността, а кръг B представлява молекула на повърхността. Молекула А е заобиколена от всички страни от други молекули на същата течност, които я привличат. Средно всички молекулни сили, действащи върху молекула А, са взаимно балансирани. В друга позиция е молекулата B. Над нея има газ, чиято плътност е малка в сравнение с плътността на течността. Следователно действието на газовите молекули върху молекулата B може да бъде пренебрегнато; остава действието на молекулните сили на течността, чиято резултантна е насочена перпендикулярно на повърхността вътре в течността. Под действието на тези сили част от молекулите на течността се преместват от повърхността в течността. В същото време повърхностният слой на течността е намален и е в състояние на вид напрежение.
Много свойства на повърхностния слой на течността могат да се обяснят, като се разглежда като тънък филм с постоянно напрежение, независимо от неговата форма и размер.
Визуално представяне на това се дава от следните експерименти със сапунени филми.
Фигурата показва телеен пръстен с конец, вързан към него в две точки. След като сте получили течен филм върху пръстена, можете да видите, че конецът лежи свободно върху него. Но ако пробиете филма от двете страни на нишката, тогава нишката ще се разтегне, приемайки формата на дъга от кръг.
намокряне
Когато извадим чиста стъклена чиния от чаша с вода, която е била спусната в нея, забелязваме, че чинията е покрита с вода. Водата не залепва върху картонена чиния, покрита с парафин или мазнина.
Когато твърдите вещества влязат в контакт с течности, се наблюдават явления на намокряне или ненамокряне. Водата намокря чистото стъкло, но не намокря парафина; Живакът омокря цинка, но не омокря чугуна.
Намокрянето на твърдо тяло от течност се обяснява с факта, че сцеплението между молекулите на течността и намокреното твърдо вещество е по-силно от сцеплението между молекулите на течността. В случай, че течността не намокря твърдото тяло, взаимното привличане на молекулите на течността една към друга е по-голямо от привличането им към молекулите на твърдото тяло.
Тази разлика в привличането на течни молекули към твърдо тяло се забелязва, ако малко количество течност се излее върху плоча с твърдо тяло. Ако течност намокри твърдо тяло, тя се разпространява по повърхността на тялото. Ако течността не намокри твърдото вещество, то не се разпространява.
Пластична деформация
Металите имат по-висока якост в сравнение с други материали, така че детайлите на машините, механизмите и много конструкции обикновено се изработват от метали.
За производството на режещи и други инструменти се използват специални инструментални стомани. Измервателните уреди, например, са направени от специални марки стомана, съдържащи примеси от хром, никел, молибден и манган. След втвърдяване стоманата от този състав има повишена якост.
Еластичните свойства на материалите са от голямо значение в машиностроенето. По време на работа на машината нейните части са изложени на различни натоварвания и се деформират под действието им. Очевидно е, че тези деформации не трябва да са остатъчни, в противен случай работата ще бъде нарушена.машини: някои части на машината ще бъдат скъсени, други, напротив, ще бъдат удължени, трети ще бъдат огънати и т.н. В крайна сметка машината ще спре да работи.
Пластичните свойства на металите се използват широко при обработката им чрез натиск: по време на валцуване, изтегляне, щамповане, коване и др.
Коването е обработка на метала чрез натиск, в резултат на което се променя както външната форма, така и структурата на метала.
Има два вида коване: свободно коване и коване.
Марж на безопасност
Първото изискване за всяка структура или продукт е здравината. Силата на материала е неговото свойство да устои на действието на външни сили, без да се срутва.
Напрежението, при което материал, подложен на деформация, започва да се счупва, се нарича якост на опън.
За някои материали якостта на опън е показана в таблицата по-долу.
Съвсем очевидно е, че в различни конструкции, за да се избегнат счупвания и разрушаване, е невъзможно да се натоварват части така, че напрежението да е равно или близко до якостта на опън. Практически допустимото напрежение е избрано така, че да е само определена част от якостта на опън.
Числото, показващо колко пъти якостта на опън е по-голяма от допустимото напрежение, се нарича граница на безопасност или коефициент на безопасност.
Молекулно движение в течности
Молекулите в течностите са много по-близо една до друга, отколкото в газовете. Такова заключение може да се направи въз основа на това, че плътността на водата, например, при нормално налягане и точка на кипене е почти 1670 пъти по-голяма от плътността на нейните пари. Следователно естеството на движението на течните молекули и много от неговите свойства до голяма степен се определят от силите на взаимодействие между молекулите.
Основното свойство на течността е течливостта. Всички течности, подобно на газовете, имат течливост; следователно течността приема формата на съда, в който се намира. В малки количества свободната течност придобива форма, близка до сферичната. Сферична форма, например, имат дъждовни капки или капки, в които се разбива струя течност.
Голяма капка живак, поставена върху хоризонтална стъклена плоча, е сплескана, малката е сферична.
Ако покриете сферична капка с плоча, тогава под въздействието на теглото на плочата тя се сплесква. Сплескването на голяма капка се дължи на преобладаването на теглото над молекулните сили в течността. Може да се очаква, че ако една течност е изложена на действието само на собствените си молекулни сили, тогава тя ще придобие сферична форма. Опитът потвърждава това предположение.
Пространствени решетки
Рентгеновите изследвания на кристали, започнали през 1912 г., доказват, че редовността на кристалните форми се дължи на подреденото разположение на атомите вътре в кристала.
Ако свържете атомите на кристала с прави линии, ще получите така нареченатапространствена решетка. Отделните атоми, които изграждат кристалите, са разположени във възлите - точките на пресичане на линиите, които образуват решетката. Често във възлите на пространствената решетка има положително или отрицателно заредени атоми - йони. Фигурата показва диаграма на пространствената решетка на трапезната сол. Всеки положителен Na йон е между отрицателните Cl йони, а всеки отрицателен Cl йон е между положителните Na йони. Вътрешните сили, които карат Na и Cl йоните да се придържат близо един до друг, са силите на електрическото привличане.
Разнообразието от срещани кристални форми се обяснява с различните форми на пространствоторешетки.
Кристални и аморфни тела
Има два вида твърди вещества: кристални и аморфни. И двата вида тела се различават значително един от друг по своите физически свойства.
Основната характеристика на хомогенното кристално тяло е несходството на неговите физични свойства в различни посоки: топлинно разширение, топлопроводимост, електропроводимост, механична якост и др. Това свойство на кристалите се наричаанизотропия.
Покриваме плоча от гипс и плоча от стъкло с тънък слой восък или парафин и ги докосваме с гореща игла. Ще видим, че около точката на контакт O парафинът ще се разтопи, а границата на разтопената зона върху кристалната плоча от гипс е елипса, а върху стъклената плоча е кръг.
Този опит показва, че за разлика от стъклото, топлината в кристалния гипс, когато се нагрява, се разпространява по различен начин в различни посоки.
Съществен външен признак на кристала е неговата правилна геометрична форма, а характерна черта на кристалната форма е сходството на съответните ъгли между лицата на кристали от едно и също вещество.
Примери за кристални тела: кристали от метали, натриев хлорид, меден сулфат, кварц, стипца и др. Фигурата показва семейство кристали от планински кристал.
Приложение на сгъстени газове
Много сгъстени газове сега се използват широко в инженерството.
Сгъстеният въздух например се използва при работата на различни пневматични инструменти: ударни чукове, чукове за нитове, пръскачки за боя и др.
Фигурата показва диаграма на устройство с ударен чук. Сгъстен въздух се подава към чука през маркуч M. Макари Z, подобни на тези, използвани в парамашини, насочвайте го последователно към задната, след това към предната част на цилиндъра. Поради това въздухът притиска буталото P от едната страна, след това от другата, което предизвиква бързо възвратно-постъпателно движение на буталото и върховете на чука B. Последните удрят бързо един след друг, проникват във въглищата и отчупват парчета от него от масива.
Има и пясъкоструйки, които произвеждат силна струя въздух, смесен с пясък. Тези устройства се използват например за почистване на стени. Сега често можете да видите работата на специални апарати, използвани за боядисване на стени, където боята се напръсква със сгъстен въздух. Въздухът под налягане отваря вратите на вагоните на метрото и тролейбусите. Сгъстеният въздух се използва при работата на спирачките в превозните средства.
Коефициент на повърхностно напрежение
Нека сега дадем количествена характеристика на повърхностното напрежение. Нека направим следния експеримент. Напълнете бюрета B с вода и отворете малко клапан K, така че водата бавно да капе от бюретата. Вижда се, че всяка капка постепенно расте, отчупва се и пада. Ако проектираме края на бюретата с капката върху екрана, можем да видим, че с нарастването на капката между нея и течността в тръбата се образува шийка, която постепенно се стеснява. Отделянето на капката C става по протежение на обиколката на шийката AB. Следователно този кръг в момента на отделяне е границата на повърхностния слой. По него действат сили на повърхностно напрежение, насочени нагоре и задържащи капката.
Силите на повърхностното напрежение са разпределени по дължината на линията, следователно за установяване на търсената количествена характеристика може да послужи големината на силата върху нетното напрежение, действаща на единица дължина на линията.
Съотношението на силата на повърхностното напрежение към дължината на границата на повърхностния слой на течността се нарича коефициент на повърхностнапрежение.
Нека означим коефициента на повърхностно напрежение с букватаσ (на гръцки "сигма"). Тогава според определението: