მყარი მასალა წარმოადგენს აგრეგაციის ოთხი მდგომარეობიდან ერთ-ერთს, რომელშიც შეიძლება იყოს ჩვენს ირგვლივ არსებული მატერია. ამ სტატიაში განვიხილავთ, თუ რა მექანიკური თვისებებია დამახასიათებელი მყარი სხეულებისთვის, მათი შინაგანი სტრუქტურის თავისებურებების გათვალისწინებით.
რა არის მყარი მასალა?
ალბათ ყველას შეუძლია ამ კითხვაზე პასუხის გაცემა. რკინის ნაჭერი, კომპიუტერი, დანაჩანგალი, მანქანები, თვითმფრინავები, ქვა, თოვლი ყველა მყარი ნივთიერების მაგალითია. ფიზიკური თვალსაზრისით, მატერიის მყარი საერთო მდგომარეობა გაგებულია, როგორც მისი უნარი შეინარჩუნოს ფორმა და მოცულობა სხვადასხვა მექანიკური გავლენის ქვეშ. მყარი ნივთიერებების სწორედ ეს მექანიკური თვისებები განასხვავებს მათ აირებისგან, სითხეებისა და პლაზმისგან. გაითვალისწინეთ, რომ სითხე ასევე ინარჩუნებს მოცულობას (შეუკუმშველია).
მყარი მასალების ზემოთ მოყვანილი მაგალითები დაგეხმარებათ უფრო ნათლად გავიგოთ, თუ რა მნიშვნელოვან როლს ასრულებენ ისინი ადამიანის სიცოცხლესა და საზოგადოების ტექნოლოგიურ განვითარებაში.
არსებობს რამდენიმე ფიზიკური და ქიმიური დისციპლინა, რომელიც სწავლობს მატერიის მდგომარეობას. ჩვენ ჩამოვთვლით მათგან მხოლოდ ყველაზე მნიშვნელოვანებს:
- მყარი ფიზიკასხეული;
- დეფორმაციის მექანიკა;
- მასალების მეცნიერება;
- მყარი ქიმია.
მყარი მასალების სტრუქტურა
სამყაროების მექანიკური თვისებების განხილვამდე, უნდა გაეცნოთ მათ შინაგან სტრუქტურას ატომურ დონეზე.
მყარი მასალების მრავალფეროვნება მათ სტრუქტურაში დიდია. მიუხედავად ამისა, არსებობს უნივერსალური კლასიფიკაცია, რომელიც ემყარება სხეულს შემადგენელი ელემენტების (ატომები, მოლეკულები, ატომური გროვები) განლაგების პერიოდულობის კრიტერიუმს. ამ კლასიფიკაციის მიხედვით, ყველა მყარი იყოფა შემდეგებად:
- კრისტალური;
- ამორფული.
დავიწყოთ მეორით. ამორფულ სხეულს არ აქვს მოწესრიგებული სტრუქტურა. მასში ატომები ან მოლეკულები განლაგებულია შემთხვევით. ეს თვისება იწვევს ამორფული მასალების თვისებების იზოტროპიას, ანუ თვისებები არ არის დამოკიდებული მიმართულებაზე. ამორფული სხეულის ყველაზე ნათელი მაგალითია მინა.
კრისტალური სხეულები ან კრისტალები, ამორფული მასალებისგან განსხვავებით, აქვთ სტრუქტურული ელემენტების განლაგება სივრცეში. მიკროსკალაზე მათ შეუძლიათ განასხვავონ კრისტალური სიბრტყეები და პარალელური ატომური რიგები. ამ სტრუქტურის გამო, კრისტალები ანიზოტროპულია. უფრო მეტიც, ანიზოტროპია ვლინდება არა მხოლოდ მყარი ნივთიერებების მექანიკურ თვისებებში, არამედ ელექტრული, ელექტრომაგნიტური და სხვა თვისებებით. მაგალითად, ტურმალინის კრისტალს შეუძლია სინათლის ტალღის ვიბრაციების გადაცემა მხოლოდ ერთი მიმართულებით, რაც იწვევსელექტრომაგნიტური გამოსხივების პოლარიზაცია.
კრისტალების მაგალითები თითქმის ყველა მეტალის მასალაა. ისინი ყველაზე ხშირად გვხვდება სამ კრისტალურ გისოსებში: სახეზე და სხეულზე ორიენტირებული კუბური (fcc და bcc, შესაბამისად) და ექვსკუთხა მჭიდროდ შეფუთული (hcp). კრისტალების კიდევ ერთი მაგალითია ჩვეულებრივი სუფრის მარილი. ლითონებისგან განსხვავებით, მისი კვანძები შეიცავს არა ატომებს, არამედ ქლორიდის ანიონებს ან ნატრიუმის კატიონებს.
ელასტიურობა ყველა მყარი მასალის მთავარი თვისებაა
მყარ სხეულზე უმცირესი სტრესის მიყენებით, ჩვენ ვაქცევთ მის დეფორმაციას. ხანდახან დეფორმაცია შეიძლება იყოს იმდენად მცირე, რომ შეუმჩნეველია. თუმცა, ყველა მყარი მასალა დეფორმირდება გარე დატვირთვისას. თუ ამ დატვირთვის მოხსნის შემდეგ დეფორმაცია ქრება, მაშინ ისინი საუბრობენ მასალის ელასტიურობაზე.
ელასტიურობის ფენომენის ნათელი მაგალითია ლითონის ზამბარის შეკუმშვა, რომელიც აღწერილია ჰუკის კანონით. ძალის F და აბსოლუტური დაძაბულობის (შეკუმშვის) x მეშვეობით ეს კანონი იწერება შემდეგნაირად:
F=-kx.
აქ k არის გარკვეული რიცხვი.
ნაყარი ლითონების შემთხვევაში, ჰუკის კანონი ჩვეულებრივ იწერება გამოყენებული გარე სტრესის σ, ფარდობითი დაძაბულობის ε და იანგის E მოდულის მიხედვით:.
σ=Eε.
იანგის მოდული არის მუდმივი მნიშვნელობა კონკრეტული მასალისთვის.
ელასტიური დეფორმაციის თვისება, რომელიც განასხვავებს მას პლასტიკური დეფორმაციისგან, არის შექცევადობა.ელასტიური დეფორმაციის პირობებში მყარი ნივთიერებების ზომის შედარებითი ცვლილებები არ აღემატება 1%-ს. ყველაზე ხშირად ისინი დევს რეგიონში 0.2%. მყარი ნივთიერებების ელასტიური თვისებები ხასიათდება მასალის კრისტალურ ბადეში სტრუქტურული ელემენტების პოზიციების გადაადგილების არარსებობით გარე დატვირთვის შეწყვეტის შემდეგ..
თუ გარე მექანიკური ძალა საკმარისად დიდია, მაშინ სხეულზე მისი მოქმედების შეწყვეტის შემდეგ შეგიძლიათ ნახოთ ნარჩენი დეფორმაცია. მას პლასტიკური ჰქვია.
მყარი ნივთიერებების პლასტიურობა
ჩვენ განვიხილეთ მყარი ნივთიერებების დრეკადობის თვისებები. ახლა გადავიდეთ მათი პლასტიურობის მახასიათებლებზე. ბევრმა იცის და შეამჩნია, რომ თუ ლურსმანს ჩაქუჩს დაარტყამ, ის ბრტყელდება. ეს არის პლასტიკური დეფორმაციის მაგალითი. ატომურ დონეზე ეს რთული პროცესია. პლასტიკური დეფორმაცია არ შეიძლება მოხდეს ამორფულ სხეულებში, ამიტომ მინა არ დეფორმირდება დარტყმის დროს, არამედ იშლება.
მყარი სხეულები და მათი პლასტიკური დეფორმირების უნარი დამოკიდებულია კრისტალურ სტრუქტურაზე. განხილული შეუქცევადი დეფორმაცია ხდება კრისტალის მოცულობაში სპეციალური ატომური კომპლექსების გადაადგილების გამო, რომლებსაც დისლოკაციები ეწოდება. ეს უკანასკნელი შეიძლება იყოს ორი ტიპის (ზღვრული და ხრახნიანი).
ყველა მყარი მასალისგან მეტალებს აქვთ ყველაზე დიდი პლასტიურობა, რადგან ისინი უზრუნველყოფენ დისლოკაციისთვის სივრცეში სხვადასხვა კუთხით მიმართული სრიალის სიბრტყეების დიდ რაოდენობას. პირიქით, მასალები კოვალენტური ან იონური ბმებით იქნება მყიფე. ეს შეიძლება მიეკუთვნოსძვირფასი ქვები ან აღნიშნული სუფრის მარილი.
მტვრევადობა და სიმტკიცე
თუ თქვენ მუდმივად მიმართავთ გარე ძალას ნებისმიერ მყარ მასალაზე, მაშინ ადრე თუ გვიან ის დაინგრევა. არსებობს ორი სახის განადგურება:
- მყიფე;
- ბლანტი.
პირველი ხასიათდება ბზარების გარეგნობითა და სწრაფი ზრდით. მყიფე მოტეხილობები იწვევს კატასტროფულ შედეგებს წარმოებაში, ამიტომ ისინი ცდილობენ გამოიყენონ მასალები და მათი მუშაობის პირობები, რომლებშიც მასალის განადგურება დრეკადი იქნება. ამ უკანასკნელს ახასიათებს ბზარის ნელი ზრდა და დიდი რაოდენობით ენერგიის შთანთქმა წარუმატებლობამდე.
თითოეული მასალისთვის არის ტემპერატურა, რომელიც ახასიათებს მყიფე-დუქტილურ გადასვლას. უმეტეს შემთხვევაში, ტემპერატურის დაქვეითება ცვლის მოტეხილობას დრეკადიდან მტვრევადამდე.
ციკლური და მუდმივი დატვირთვები
ინჟინერიასა და ფიზიკაში მყარი სხეულების თვისებები ასევე ხასიათდება მათზე გამოყენებული დატვირთვის ტიპის მიხედვით. ასე რომ, მასალაზე მუდმივი ციკლური ეფექტი (მაგალითად, დაძაბულობა-შეკუმშვა) აღწერილია ეგრეთ წოდებული დაღლილობის წინააღმდეგობით. ის გვიჩვენებს, თუ რამდენ ციკლს გაუძლებს გარკვეული რაოდენობის სტრესის მასალას გატეხვის გარეშე.
მასალის დაღლილობა ასევე შესწავლილია მუდმივი დატვირთვის პირობებში, დროთა განმავლობაში დაჭიმვის სიჩქარის გაზომვით.
მასალების სიხისტე
მყარი ნივთიერებების ერთ-ერთი მნიშვნელოვანი მექანიკური თვისებაა სიმტკიცე. ის განსაზღვრავსმასალის უნარი, თავიდან აიცილოს მასში უცხო სხეულის შეყვანა. ემპირიულად, ძალიან მარტივია იმის დადგენა, თუ რომელი სხეულია უფრო რთული. საჭიროა მხოლოდ ერთი მათგანის მეორეთი გადაფხეკა. ბრილიანტი უმძიმესი კრისტალია. ის დაკაწრავს ნებისმიერ სხვა მასალას.
სხვა მექანიკური თვისებები
მყარ მასალებს აქვთ გარკვეული მექანიკური თვისებები, გარდა ზემოთ აღნიშნულისა. ჩვენ მოკლედ ჩამოვთვლით მათ:
- დუქნილობა - სხვადასხვა ფორმის მიღების უნარი;
- დუქნილობა - თხელ ძაფებად დაჭიმვის უნარი;
- უნარი წინააღმდეგობის გაწევის სპეციალური სახის დეფორმაციას, როგორიცაა მოხრა ან გადახვევა.
ამგვარად, მყარი სხეულების მიკროსკოპული სტრუქტურა დიდწილად განსაზღვრავს მათ თვისებებს.
