Какие механические свойства твердых тел необходимо знать для расчета различных конструкций кратко

Обновлено: 08.07.2024

Твердые тела и материалы, которыми располагает общество, во многом определяют уровень его технического развития. Физика твердого тела служит основой современного материаловедения, она указывает пути создания технически важных твердых тел и материалов с требуемыми свойствами.

Так как применение большинства твердых материалов определяется в первую очередь их механическими свойствами, то из всего разнообразия физических свойств механические свойства твердых тел являются наиболее важными в изучении.

Современная техника нуждается в прочных и долговечных материалах с разнообразными механическими и другими свойствами. Чтобы создавать такие материалы, чтобы изменять их свойства в нужном направлении, важно знать, что происходит в реальных твердых телах под действием внешней механической нагрузки, то есть необходимо знать механизм деформации и разрушения.

Создание материалов с заданными механическими, магнитными, электрическими и другими свойствами – одно из основных направлений современной физики твердого тела. Приблизительно половина физиков мира работает сейчас в области физики твердого тела.

1.1 Кристаллические тела

Твердые тела сохраняют не только свой объем, как жидкости, но и форму. Твердые тела находятся преимущественно в кристаллическом состоянии.

Кристаллы – это твердые тела, атомы и молекулы которых занимают определенные упорядоченные положения в пространстве. Следствие этого – правильная внешняя форма кристалла.

Анизотропия кристаллов

Правильная внешняя форма – не единственное, и даже не самое главное следствие упорядоченного строения кристалла. Главное – это зависимость физических свойств от выбранного в кристалле направления. Прежде всего бросается в глаза различная механическая прочность кристалла по разным направлениям. Например, легко расслаиваются по одному направлению кристаллы графита. Когда мы пишем карандашом, такое расслоение происходит непрерывно, и тонкие слои графита остаются на бумаге. Это происходит потому, что кристаллическая решетка графита имеет слоистую структуру. Слои образованы рядом параллельных плоских сеток, состоящих из атомов углерода. Атомы располагаются в вершинах правильных шестиугольников. Расстояние же между слоями сравнительно велико, поэтому связи между слоями менее прочны, чем связи внутри них.

Многие кристаллы по-разному проводят теплоту и электрический ток в различных направлениях. Зависят от направления и оптические свойства кристаллов.

Зависимость физических свойств от направления внутри кристалла называют анизотропией. Все кристаллические тела анизотропны.

Поликристаллы и монокристаллы

Твердое тело, состоящее из большого числа маленьких кристалликов, называют поликристаллическим. Типичные представители поликристаллов – металлы. На первый взгляд их кристаллическое строение никак не проявляется. Большой кусок металла анизотропен. Дело в том, что кристаллики ориентированы друг по отношению к другу хаотически. В результате в объеме, значительно превышающем объем отдельных кристалликов, все направления внутри металлов равноправны и их свойства одинаковы по всем направлениям. Каждый же кристаллик анизотропен.

Одиночные кристаллы называют монокристаллами.

1.2 Аморфные тела

Аморфными называют вещества, не обладающие в конденсированном состоянии кристаллическим строением, но обладающие, в отличие от жидкостей, упругостью формы (модуль сдвига не равен нулю).

В аморфном состоянии могут находиться, например обычные (неорганические) стекла, сера, селен, глицерин и большинство высокомолекулярных соединений.

У аморфных тел, в отличие от кристаллических, нет строгого порядка в расположении атомов. Только ближайшие атомы располагаются в некотором порядке. Но строгой повторяемости во всех направлениях одного и того же элемента структуры, которая характерна для кристаллов, в аморфных телах нет.

Все аморфные тела изотропны – их физические свойства одинаковы по всем направлениям.

Аморфные вещества при определенных условиях стеклуются, т. е. переходят от свойств и закономерностей жидкого состояния к свойствам и закономерностям твердого состояния. Переход аморфного вещества из жидкого состояния в твердое при изменении температуры или давления называется структурным стеклованием. При таком переходе меняются объем, теплосодержание, а также механические, электрические и другие свойства вещества.

Стеклование и размягчение совершаются в довольно широкой температурной области – до нескольких десятков градусов. Поэтому в отличие от кристаллических тел, аморфные тела не обладают какой-то определенной температурой плавления.

Деформация и разрушение твердых тел под действием приложенных сил – это основные явления, определяющие механические свойства материалов.

Деформацией называется изменение формы или объема тела.

Жидкости сопротивляются изменению их объема, но не сопротивляются изменению формы. Твердые же тела сопротивляются как изменению формы, так и изменению объема. Они сопротивляются, как говорят, любому деформированию.

Давления, возникающие в твердом теле при его деформировании, называются упругими напряжениями. Напряжение – это сила, отнесенная к единице площади:

Деформации, которые полностью исчезают при прекращении действия внешних сил, называются упругими.

Деформации, которые не исчезают после прекращения действия внешних сил, называются пластическими.

Существует определенная (для каждого тела) пороговая величина напряжения, начиная с которой в теле появляется пластическая деформация. Эта величина называется пределом упругости. При меньших напряжениях снятие нагрузки возвращает тело в исходное состояние; при больших напряжениях после снятия нагрузки в теле остаются остаточные, пластические, деформации.

Любые деформации твердых тел можно свести к двум видам – растяжению (или сжатию) и сдвигу.

2.1 Растяжение (сжатие)

Если к однородному стержню, закрепленному на одном конце, приложить силу F вдоль оси стержня в направлении от него, то стержень подвергнется деформации растяжения.

Деформацию растяжения характеризуют абсолютным удлинением:

где l₀ и l – начальная и конечная длина стержня.

Благодаря большой сопротивляемости твердых тел, испытываемые ими под влиянием внешних сил деформации обычно невелики. При малом относительном удлинении деформации большинства тел упругие.

При малых деформациях напряжение прямо пропорционально относительному удлинению. Эта зависимость носит название закона Гука:

где коэффициент Е характеризует материал тела и называется модулем Юнга. Так как относительное удлинение – величина безразмерная, то размерность модуля Юнга совпадает с размерностью напряжения, то есть модуль Юнга имеет размерность давления.

Растяжение относится к однородным деформациям, то есть к таким, при которых все элементы объема тела деформируются одинаковым образом.

Тесно связанной с простым растяжением, но неоднородной деформацией является изгиб тонкого стержня. При изгибе одна сторона – выпуклая – подвергается растяжению, а другая – вогнутая – сжатию. Внутри изгибаемого тела расположен слой, не испытывающий ни растяжения, ни сжатия, называемый нейтральным.

Вблизи нейтрального слоя тело почти не испытывает деформаций. В этом слое малы и возникающие при деформации силы. Следовательно, площадь поперечного сечения изгибаемой детали в окрестности нейтрального слоя можно значительно уменьшить. В современной технике и строительстве вместо стержней и простых брусьев повсеместно применяют трубы, двутавровые балки, рельсы, швеллеры, чем добиваются облегчения конструкций и экономии материала.

2.2 Сдвиг

Сдвигом называется деформация, при которой все плоские слои твердого тела параллельны некоторой плоскости (плоскости сдвига), не искривляясь и не изменяясь в размерах, смещаются параллельно друг другу .

Сдвиг происходит под действием силы F, приложенной касательно к грани ВС, параллельной плоскости сдвига. Грань AD закреплена неподвижно. Мерой деформации является угол сдвига (относительный сдвиг), выраженный в радианах.

Для малых деформаций (при упругих деформациях) по закону Гука относительный сдвиг пропорционален касательному (скалывающему) напряжению:

где G – модуль сдвига, численно равный касательному напряжению, вызывающему относительный сдвиг, равный единице.

Рассмотренный нами сдвиг прямоугольного бруска представляет собой однородную деформацию.

Деформацией чистого сдвига, но неоднородной, является кручение стержня. Она возникает, если, закрепив один конец стержня, закрутить его второй конец. При этом различные сечения стержня будут поворачиваться на различные углы относительно закрепленного основания.

2.3 Диаграммы деформации

Большое количество твердых материалов служит для изготовления конструкций (сооружений, машин, механизмов), основное назначение которых – сопротивление деформации. Конструктор должен заранее знать поведение материалов при значительных деформациях, условия, при которых материалы начнут разрушаться.

Сведения о механических свойствах различных материалов получают экспериментально. Сопротивление деформации, как правило, определяют по диаграммам деформации в координатах . Эти диаграммы аттестуют материал, определяя его механические свойства (предел текучести, деформирующее напряжение, интенсивность деформационного упрочнения, предел прочности и др.).

Рассмотрим механические свойства твердого тела на примере исследования деформации растяжения. Для проведения этого исследования стержень из исследуемого материала при помощи специальных устройств подвергают растяжению и измеряют удлинение образца и возникающее в нем напряжение. По результатам опытов вычерчивают график зависимости напряжения от относительного удлинения – диаграмму растяжения.

При небольших деформациях (при малых напряжениях) выполняется закон Гука (участок ОА).
Максимальное напряжение s_п, при котором еще выполняется закон Гука, называют пределом пропорциональности.
Если увеличить нагрузку, то деформация становится нелинейной. Тем не менее при небольших нелинейных деформациях после снятия нагрузки форма и размеры тела практически восстанавливаются (участок АВ).
Максимальное напряжение, при котором еще не возникают заметные остаточные деформации (относительная остаточная деформация не превышает 0,1 %), называют пределом упругости s_уп. Предел упругости превышает предел пропорциональности лишь на сотые доли процента. Значения предела упругости зависят не только от вещества тела. Оно сильно меняется в зависимости от способа приготовления образца, его предварительной обработки, наличия в нем примесей и т.д. Так, предел упругости монокристаллов алюминия составляет всего 4 кгс/см 2 , а технического алюминия – 1000 кгс/см 2 (примерно 10 8 Па).
При напряжении, превышающем предел упругости образец остается деформированным после снятия напряжения. По мере увеличения нагрузки деформация нарастает все быстрее и быстрее (участок ВС).
При некотором значении напряжения, соответствующем на диаграмме точке С, удлинение нарастает практически без увеличения нагрузки. Это явление называют текучестью материала (участок СD).
Далее с увеличением деформации кривая напряжений начинает немного возрастать и достигает максимума в точке Е. Затем напряжение быстро спадает и образец разрушается (точка К). Разрыв происходит после того, как напряжение достигает максимального значения s_пч, называемого пределом прочности – образец растягивается без увеличения внешней нагрузки вплоть до разрушения. Эта величина зависит от материала образца и его обработки.

Повышение пределов прочности таких широко используемых в технике материалов, как сталь, чугун, алюминий, медь и многих других является задачей исключительной важности.

Сравнение реальной прочности кристаллов со значениями, полученными на основании теоретических расчетов, обнаруживает весьма существенные расхождения: теоретический предел прочности в десятки и даже сотни раз превосходит значения, получаемые при испытании реальных образцов! Это означает, что на изготовление станков и машин, железных дорог и трубопроводов расходуется в десятки и сотни раз больше материалов, чем это было бы необходимо при получении материалов, обладающих такой прочностью, какая предсказана теорией. Поэтому физикам и инженерам очень важно было узнать, по какой причине реальная прочность твердых тел оказывается значительно меньше величин, рассчитанных для идеальной модели.

Оказалось, что причина расхождения теории и эксперимента – в наличии внутренних и поверхностных дефектов, существование которых не учитывалось в расчетах.

3.1 Дефекты в кристаллах

Уже сам факт сильной зависимости пластических свойств тела от его обработки, наличия примесей и т.п. указывает на тесную связь этих свойств с особенностями кристаллического строения реальных тел – особенностями, отличающими реальные кристаллы от идеальных.

О нарушениях идеальной кристаллической структуры говорят как о дефектах кристаллов. Наиболее простой тип дефектов (которые можно назвать точечными) состоит в отсутствии атома в узле решетки (свободная вакансия) или в замене «правильного атома в узле чужеродным (атомом примеси), во внедрении лишнего атома в межузельное пространство и т.п. Нарушение правильности структуры решетки распространяется на небольшое (порядка величины нескольких периодов) расстояние вокруг такой точки.

Наиболее важную роль в механических свойствах твердых тел играют, однако, дефекты другого рода, которые можно назвать линейными, поскольку нарушение правильности структуры кристаллической решетки сосредоточено вблизи нескольких линий. Эти дефекты называют дислокациями.

В краевой дислокации направление сдвига перпендикулярно, а в винтовой – параллельно линии дислокации. Между этими двумя предельными случаями возможны любые промежуточные. Линии дислокации не обязательно прямые: они могут быть и кривыми, в том числе образовывать замкнутые петли.

3. 2 Способы повышения прочности твердых тел

Для получения материалов с высокой прочностью на разрыв и сдвиг, т.е. с большим сопротивлением пластической деформации, необходимо:

а) либо уменьшить в них число дислокаций,

б) либо создать условия, затрудняющие перемещения дислокаций.

Препятствием перемещению дислокации может служить другая дислокация, встретившаяся на ее пути. Поэтому при увеличении числа дислокаций в единице объема прочность кристалла сначала уменьшается, а затем начинает возрастать. Это обстоятельство иллюстрируется на графике зависимости предела прочности от числа дефектов в единице объема кристалла.

Способ повышения прочности твердых тел путем получения кристаллов с очень малым количеством дислокаций пока еще не используется в промышленности. Большинство современных методов упрочнения материалов основано на противоположном способе, состоящем в искажении кристаллической структуры путем создания в ней различного рода дефектов – введением примесей, созданием дислокаций. Например, при легировании стали – введении в расплав небольших добавок хрома, вольфрама и других элементов – ее прочность увеличивается примерно втрое. При протяжке, дробеструйной обработке металлов и т.п. происходит так называемый наклеп, приводящий к увеличению плотности дислокаций и повышению прочности. Например, после протяжки бруска углеродистой стали предел прочности возрастает втрое.

Обработка металлов давлением приводит к уменьшению размеров кристаллов и увеличению дефектов структуры внутри самих зерен. И то и другое мешает передвижению дислокаций и приводит к значительному повышению прочности.

Использование научных достижений в металлургии позволило получать алюминиевые сплавы, не уступающие по прочности легированным сталям. Лучшие марки стали 30-х годов обладали прочность на разрыв 10 9 Па, а современные – 2,3х10 9 Па.

Приблизить практическую прочность металлов к теоретической можно и другим способом – высокоскоростной кристаллизацией. На основе высокоскоростной кристаллизации и последующего горячего прессования разработана технология производства, например, дисков из никелевых сплавов для газотурбинных двигателей. Таким способом жаропрочность дисков была повышена более чем в полтора раза. Это дало возможность уменьшить массу агрегатов, повысить рабочие температуры, увеличить срок службы двигателей.

Кабардин О. Ф., Кабардин С. И., Шефер Н. И. Факультативный курс физики. Учеб. пособие для учащихся. – М.: Просвещение, 1986. – С. 50-61.
Конева Н. А. Природа стадий пластических деформаций. Соросовский образовательный журнал, № 10, 1998. – С. 99-105.
Ландау Л. Д., Ахиезер А. И., Лифшиц Е. М. Курс общей физики. Механика и молекулярная физика, М.: Наука, 1969. С. 316-335.
Яворский Б. М., Детлаф А. А. Справочник по физике для инженеров и студентов вузов.– М.: Наука, 1978. С. 281-291.

Твердым телом в механике называется неизменимая система материальных точек, т.е. такая идеализированная система, при любых движениях которой взаимные расстояния между материальными точками системы остаются неизменными (материальные точки - достаточно малые макроскопические частицы).

Силы притяжения и отталкивания обуславливают механическую прочность твердых тел. т. е. их способность противодействовать изменению формы и объема. Растяжению тел препятствуют силы межатомного притяжения, а сжатию - силы отталкивания.

Недеформируемых тел в природе не существует.

Деформация - изменение формы или объема тела под действием внешних сил. Деформация может быть упругая или неупругая.

Упругая деформация - деформация, при которой после прекращения действия силы размеры и форма тела восстанавливаются.

Сдвиг

Виды деформаций:

Линейная:
- Растяжение (тросы подъемных кранов, канатных дорог, буксирные тросы)
- Сжатие (колонны, стены, фундаменты зданий).
Сдвиг (заклепки, болты, соед. металлические конструкции, процесс разрезания ножницами бумаги).
Кручение (завинчивание гаек, работа валов машин, сверление металлов и т.п.).
Изгиб (формально деформация растяжения и сжатия, различная в разных частях тела. Нейтральный слой - слой, не подвергающийся ни растяжению, ни сжатию, при изгибе.)

Деформацию растяжения и сжатия можно охарактеризовать абсолютной деформацией Δℓ, равной разности длин образца после растяжения ℓ и до него ℓ ₀ : Δ ℓ = ℓ – ℓ ₀

Отношение абсолютной деформации D? к первоначальной длине образца?_o называют относительной деформацией:

Если деформация упругая, а относительная деформацияИз опыта: - закон Гука. Сила упругости прямо пропорциональна абсолютной деформации.

С учетом направления:

k - коэффициент жесткости (упругости). Зависит от материала, формы и размеров тела (Например, чем длиннее и тоньше пружина, тем ее жесткость меньше.)

Единицы коэффициента упругости в СИ: .

Движение под действием силы упругости.

- ускорение изменяется с координатой! Это неравнопеременноедвижение. Такое движение является колебательным.

Частные случаи силы упругости:

Сила реакции опоры - направлена всегда перпендикулярно поверхности.
Сила натяжения (нити, сцепки)

Физическая величина, равная отношению модуля силы упругости F_упр, возникающей при деформации, к площади сечения S образца, перпендикулярного вектору силы F. называется механическим напряжением: . За единицу механического напряжения в СИ принята единица паскаль (Па): 1 Па= 1Н/м 2 .

Отношение механического напряжения к относительному удлинению ,при малых упругих деформациях растяжения и сжатия, называется модулем упругости Е (модулем Юнга): .

Из выше написанной формулы видно, что модуль Юнга Е величина не зависящая от формы и размеров предмета, изготовленных из данного материала. [Е]=Па. Модуль Юнга показывает, какое надо создать механическое напряжение, чтобы деформировать тело в 2 раза (Если - на самом деле нереально).

[Е]=Па

Если обозначить , то получим F_упр =k|Δl| - закон Гука. Другая форма записи этого закона: s = E|ε| - механическое напряжение прямо пропорционально модулю относительной деформации.

s = E|ε|

Диаграмма растяжения-сжатия

s_п - предел пропорциональности (максимальное напряжение, при котором деформация еще остается упругой и выполняется закон Гука)

s_уп - предел упругости (максимальное напряжение, при котором еще не возникают заметные остаточные деформации, и материал еще сохраняет упругие свойства)

s_т - предел текучести (напряжение, при котором материал "течет")

s_пч - предел прочности (наибольшее напряжение, которое способен выдержать образец без разрушения)

e_ост- остаточная деформация

Коэффициент безопасности (предел прочности) - отношение предела пропорциональности данного материала к максимальному напряжению, которое будет испытывать деталь конструкции в работе: .

В зависимости от необходимой надежности различных деталей и конструкций коэффициент безопасности выбирают обычно в пределах от 2 до 10.

Любые конструкции, используемые в технике, должны выдерживать заданные нагрузки. Для правильного расчета конструкций необходимо знать механические свойства твердых тел и законы, которые описывают их поведение. Кратко рассмотрим эту тему.

Механическое напряжение

В кристалле твердого тела между ядрами атомов существуют ковалентные связи, в которых электроны являются общими для соседних атомов.

Рис. 1. Ковалентная связь.

При небольшом увеличении расстояния между атомами (деформации), возникнут силы, препятствующие дальнейшему удалению. Для макроскопического кристалла эти силы зависят от свойств вещества и от количества связей, к которым приложено усилие разрыва. Пока структура кристалла не нарушена, снятие нагрузки возвращает кристалл в исходное состояние. Такая деформация назвается упругой.

Механическое напряжение равно отношению силы разрыва, приложенной к образцу, к поперечной площади разрываемого образца:

Из данной формулы можно получить размерность механического напряжения. Поскольку сила измеряется в ньютонах, а площадь в квадратных метрах, единица напряжения получается равной ньютону на квадратный метр или паскалю.

Заметим, что деформация может быть не только разрывной, но с сжимающей, формула и размерность напряжения останутся прежними.

Закон Гука

Итак, при упругой деформации кристалла, возникают силы, стремящиеся вернуть кристалл в ненапряженное состояние. Опыты показывают, что силы эти тем больше, чем больше деформация. То есть, механическое напряжение $\sigma$ кристалла пропорционально его относительному удлинению:

Данный закон был установлен в 1660 Р.Гуком, и носит его имя.

Рис. 2. Роберт Гук.

Модуль Юнга и жесткость

Коэффициент пропорциональности $E$ в формуле называется модулем Юнга, его физический смысл в том, что это напряжение, возникающие в кристалле при единичном относительном удлинении (или при удвоении абсолютного линейного размера кристалла). Единица его измерения такая же, как и у напряжения – паскаль.

Часто для характеристики упругих элементов удобнее использовать не модуль Юнга, а такой параметр, как жесткость, равную силе, возникающей при растяжении на единичную длину.

Связь между модулем Юнга и жесткостью легко вывести из закона Гука. Подставим в формулу Закона Гука выражение для механического напряжения, приведенное выше:

Таким образом, жесткость пружины прямо пропорциональна модулю Юнга:

Пределы пропорциональности и упругости.

Закон Гука хорошо выполняется для небольших деформаций, пока ковалентные связи в кристалле не нарушены. Максимальное напряжение, при котором закон Гука полностью выполняется, называется пределом пропорциональности.

Если кристалл продолжать деформировать дальше – изменение напряжения становится нелинейным, а затем, связи начинают разрываться, в результате кристалл уже не возвращается к своему прежнему состоянию, и некоторые остаточные деформации в нем остаются и после снятия.

Максимальное напряжение, при котором в кристалле после снятия усилия не остается заметных остаточных деформаций, называется пределом упругости. Как правило, пределы пропорциональности и упругости для большинства веществ отличаются менее, чем на 1%, при решении задач по физике в 10 классе школы их можно считать равными.

Рис. 3. Условная диаграмма растяжения.

Что мы узнали?

При деформации в кристалле возникают силы, сопротивляющиеся деформации. Закон, связывающий механическое напряжение с удлинением кристалла, называется законом Гука. Этот закон действует до некоторого максимального значения (предела пропорциональности). Коэффициент пропорциональности в законе Гука называется модулем Юнга. Модуль Юнга прямо пропорционален жесткости кристалла.

Свидетельство и скидка на обучение каждому участнику

Зарегистрироваться 15–17 марта 2022 г.

Описание презентации по отдельным слайдам:

Механические свойства твердых тел

упругая деформация – деформация, исчезающая после прекращения действия внешней силы
Пластическая деформация – деформация, сохраняющаяся после прекращения действия внешней силы
Резина, сталь, кости, сухожилия, человеческое тело
Пластилин, замазка , жевательная резинка, воск, алюминий

Закон Гука: Сила упругости прямо пропорциональна удлинению тела до некоторого предельного значения

l абсолютное удлинение (м)

K коэффициент жесткости (Н/м)

F упр - Сила упругости (Н)

участке 0-1 выполняется закон Гука, т. е. нормальное напряжение пропорционально относительному удлинению
(участок 1-2), не возникает остаточная деформация, называют пределом упругости.
Увеличение нагрузки выше предела упругости (участок 2-3) приводит к тому, что деформация становится остаточной.
(участок 3-4 графика). Это явление называют текучестью материала..
(участок 4-5 графика). Максимальное значение нормального напряжения sпр, при превышении которого происходит разрыв образца, называют пределом прочности.

σ -механическое напряжение (Па)

ε -относительное удлинение

Е -модуль Юнга (Па)

От чего зависит жесткость?

площади поперечного сечения

тензометр
тензодатчики сопротивления
рентгеноструктурный анализ
поляризационно-оптический метод

Причины возникновения деформации твёрдых тел

следствием фазовых превращений, связанных с изменением объёма, теплового расширения
результатом действия внешних сил
намагничивания магнитострикция
появления электрического заряда (пьезоэлектрический эффект)

Тепловое расширение тел— жизненно важное явление
При нагревании размеры твердых тел немного увеличиваются, а при охлаждении - уменьшаются. Для людей тепловое расширение — жизненно важное явление. Например, проектируя стальной мост через реку в городе с континентальным климатом, нельзя не учитывать возможного перепада температур в пределах от —40°C до +40°C в течение года. Такие перепады вызовут изменение общей длины моста вплоть до нескольких метров, и, чтобы мост не вздыбливался летом и не испытывал мощных нагрузок на разрыв зимой, проектировщики составляют мост из отдельных секций. Телеграфные провода в жаркую погоду провисают заметно больше, чем во время зимних морозов. В этом легко убедиться, если провести следующий опыт: нагревая натянутую проволоку электрическим током, мы видим, что она заметно провисает, а прекращении нагревания снова натягивается. Когда балалайку выносят из теплого помещения на мороз, ее стальные струны становятся более натянутыми и звучание изменится. Чаще всего причинами порчи зубов является очень холодная либо очень горячая еда, особенно если это чередуется сразу же друг за другом. От этого зубная эмаль трескается
Наблюдения:

Почему при нагревании большинство твёрдых тел расширяются?

Это происходит из-за того, что при увеличении температуры увеличивается кинетическая энергия движения частиц, которые находятся в узлах кристаллической решётки. Увеличение кинетической энергии, в свою очередь, приводит к увеличению амплитуды колебаний этих частиц около положения равновесия. В результате увеличения амплитуды колебаний увеличивается среднее расстояние между частицами в кристаллической решётке, что приводит к увеличению линейных размеров всего тела.

Как велики изменения размеров твёрдых тел при нагревании?
Оказывается, очень малы. Приведем экспериментальные факты. Если изготовить стержни из различных материалов так, чтобы при 20° они имели длину точно 1 м, а затем нагреть их точно на 1°, то удлинения этих стержней будут такими, как показано в списке
Асфальт -0,2 мм
Бронза -0,0175 мм
Медь -0,017 мм
Инвар -0,005 мм
Изучая список можно сделать вывод, почему наиболее точные измерительные инструменты делаются из особого сплава – инвара, и зачем на точных измерительных инструментах указывается температура (обычно 20 °С)?

Почему при нагревании некоторые тела разрушаются?
Если в стеклянный стакан налить кипяток, то стакан может треснуть. Почему? Дело здесь в неравномерном нагреве. Стекло плохо проводит тепло, поэтому, когда мы наливаем кипяток, внутренняя поверхность стакана сразу нагревается до 100 °С, а внешняя ещё сохраняет комнатную температуру. В результате слои стекла, прилегающие к внутренней поверхности стакана, начинают расширяться, а слои, прилегающие к внешней поверхности стакана, - ещё нет. Получается так, как если бы мы приложили к внутренней поверхности стакана дополнительное давление. А стекло - вещество хрупкое, такого давления может и не выдержать. Причина — неравномерное расширение стекла. Толстые стаканы - как раз самые непрочные в этом отношении: они лопаются чаще, нежели тонкие

Небольшие изменения размеров могут быть опасны
Скажем прямо заметить такие изменения длины практически невозможно. Однако для хрупких веществ даже столь небольшие изменения размеров могут быть опасны. Взять, к примеру, асфальт. По сравнению со стеклом он при нагревании расширяется в 20 раз сильнее, поэтому асфальтовые покрытия на дорогах постоянно дают трещины и нуждаются в постоянном ремонте: ведь суточные колебания температуры приводят к неравномерному нагреву асфальта. А из-за этого возникают внутренние напряжения (как в стакане с кипятком), которые приводят к разрушению. Поэтому между плитами бетонного шоссе делают зазоры.

Если нас спросят, какова высота Эйфелевой башни, то прежде чем ответить: "300 метров", вы, вероятно, поинтересуетесь: В какую погоду—холодную или теплую?

вершина Эйфелевой башни поднимается выше, чем в холодный, на кусочек, равный 12см и сделанный из железа, которое, впрочем, не стоит ни одного лишнего сантима.

Тепловое расширение тел, изготовленных из разных материалов
Главное требование - одинаковое изменение размеров проволоки и стекла при изменении температуры. Если проволока будет расширяться сильнее или слабее, чем стекло, это вызовет в стекле внутренние напряжения (как в стакане, в который налили кипяток), и стекло может треснуть. Для пайки электродов в электрическую лампу применяют специальный сплав - платинид, расширяющийся при нагревании так же, как и стекло.

Значение силы упругости
При температурном расширении или сжатии твердых тел развиваются огромные силы; это можно использовать в соответствующих технологических процессах. Например, это свойство использовано в электрическом домкрате для растяжения арматуры при изготовлении напряженного железобетона. В результате охлаждения и сокращения линейных размеров стержня развивается тянущее усилие порядка сотен тонн, которое растягивает холодную арматуру до необходимой величины.
Так как в этом домкрате работают молекулярные силы, он практически не может сломаться.
С помощью теплового расширения жидкости можно создать необходимые гидростатические давления. Обще известные биметаллические пластинки - соединенные каким-либо способом две металлические полоски с различным термо расширением - являются отличным преобразователем тепловой энергии в механическую.

Вещества, сжимающиеся при нагревании
обычная вода обладает так называемой температурной аномалией - в области температур от 0 0С до 4 0С
наночастицы оксида меди, сплавов, ceramics керамики на основе фосфатов,
керамики на основе молибдатов циркония или гафния, полимеров,

Глянцевые натяжные потолки.

Механические свойства твердых тел:

Механические свойства характеризуют способность материала сопротивляться воздействию внешних сил.
Прочность – способность материала сопротивляться разрушению под воздействием нагрузок.
Пластичность – способность материала изменять форму и размер под действием внешних сил.
Упругость – способность материала восстанавливать первоначальную форму и размер.
Твердость – сопротивление твердого тела изменению формы (деформации)
Все эти свойства проявляются под действием статических сил (постоянных по величине и направлению)

Груз какой массы следует подвесить к стальному тросу длиной 2 м и диаметром 1 см, чтобы он удлинился на 1 мм? Модуль Юнга для стали Е = 2 х 1011 Па.
А. 400 кг;
В. 600 кг;
Д. 800 кг.
Б. 500 кг;
Г. 700 кг;

Для определения модуля упругости вещества образец площадью поперечного сечения
1 см2 растягивают с силой
2 • 104 Н. При этом относительное удлинение образца оказывается равным 0,1%. Найдите по этим данным модуль упругости вещества образца.
А. 100 ГПа;
В. 200 ГПа;
Д. 300 ГПа.
Б. 150 ГПа;
Г. 250 ГПа;

Читайте также: