Джеймс Гордон - Почему мы не проваливаемся сквозь пол

• Название: Почему мы не проваливаемся сквозь пол
• Автор: Джеймс Гордон
• Жанр: Строительство

Еще в первые десятилетия нашего века ответ на вопросы о свойствах материалов искали в эксперименте. И лишь последние 40 лет ученые, специалисты в области материаловедения, стали серьезно изучать строение материалов, убедившись, что их свойства зависят от совершенства в расположении атомов. Обо всем этом живо и с юмором рассказывает автор книги профессор университета в Рединге (Великобритания) Джеймс Эдвард Гордон. Книга рассчитана не только на школьников и студентов, но и на тех, кого по роду работы интересует поведение современных материалов и прочность конструкций.

---

Кристаллизация

Как мы уже говорили, все молекулы с большей или меньшей силой притягиваются одна к другой, и, если тепловые толчки не помешают им в этом стремлении, они объединяются в некоторое тело, которое мы воспринимаем как твердое. Поскольку молекулы притягивают одна другую, они, естественно, пытаются сблизиться как можно теснее, а этого можно достичь, не наваливаясь способом “куча мала”, а путем некоторой правильной упаковки. Куча наваленного кирпича занимает больший объем, чем те же кирпичи, сложенные в штабель. Но, поскольку молекулы имеют более или менее свободный выбор места для себя, они стремятся при затвердевании расположиться упорядочение, подобно кирпичам в стене. Такая возможность существует, если жидкость остается совершенно текучей вплоть до момента “замерзания”, как это имеет место в случае воды и металлов. В этих условиях молекула в поисках подходящей позиции будет долго шнырять вокруг, пока не окажется в месте, которое отвечает условию плотной упаковки. В нем она и оседает.

Такой ход событий приводит к образованию кристаллов, которые представляют собой в высшей степени упорядоченную систему атомов или молекул. Поразительна регулярность расположения большого числа атомов в хорошем кристалле.

Все твердые тела имеют тенденцию быть кристаллическими, но не все достигают такого состояния. Так, металлы и многие простые неорганические вещества имеют кристаллическую структуру. Некоторые вещества могут быть кристаллическими в той или иной степени. Хорошие кристаллы часто бывают довольно большими, до нескольких сантиметров в поперечнике. Они имеют характерные, часто простые геометрические формы.

Стекла

Если жидкость перед затвердеванием очень вязкая (то есть густая) или же она очень быстро охлаждается, молекулы не имеют возможности стать в положения плотной упаковки, и материал затвердевает в форме беспорядочного нагромождения молекул. Такой материал называется аморфным или стеклообразным. Высокая вязкость жидкости при приближении ее к точке замерзания связана, как правило, с тем, что молекулы объединяются в малоподвижные цепи или сетки. Именно такой процесс идет при затвердевании некоторых окислов, например двуокиси кремния SiO2, иначе говоря -песка, который плавится, превращаясь в вязкую жидкость, а при последующем охлаждении легко образует стекло. Точка плавления чистой двуокиси кремния очень высока (1600°С) поэтому для большинства стекол используют смесь песка, извести и соды, которая может плавиться в обычных печах.

Купленный в магазине сахар обычно кристаллический. Однако, если сахар расплавить и затем довольно быстро охладить, получится стеклообразная конфета. Патока очень вязкая, густая жидкость, при затвердевании она может перейти в стеклообразное состояние.

Полимеры

Металлы, а также вещества, подобные сахару и соли, имеют кристаллическое строение. К числу кристаллических тел относится также большая часть горных пород, имевших предостаточно времени на охлаждение. Стекло, обсидиан и ириска - аморфны. Некоторые материалы являют собой смесь этих двух структур. Например, керамическая посуда состоит из небольших кристалликов металлических окислов и силикатов, которые в процессе обжига склеиваются воедино тонкими прослойками аморфного стеклообразного материала. Глазурь на такой посуде получают наплавлением слоя легкоплавкого стекла.

Вещества живой природы, ткани растений и животных, а также все пластмассы существуют в форме полимеров. Полимеры - удобный строительный материал как для живой природы, так и для химиков-технологов. Основной принцип состоит здесь в том, что малые единичные молекулы пристраиваются одна к другой, так что образуются длинные цепочки или развитые сетки.

Эластомеры

Сюда относятся вещества, подобные натуральной и синтетической резине. Они до некоторой степени напоминают полимеры, так как их молекулы образуют длинные цепи. Но эти цепи не очень плотно прилегают одна к другой с боков. Поэтому цепи могут складываться и свиваться. Огромные механические удлинения резины определяются распутыванием этих цепочек.

Приложение II. Простые формулы теории балок, или как сделать расчет на прочность

1

"Грейт Истерн" - судно, построенное знаменитым английским инженером Брюнелем в середине XIX века. Во времена Фарадея оно было непревзойденным по своим размерам (водоизмещение 27000 т). - Прим. перев.

2

Эпиграф взят из работы М. Фарадея "On the various forces of Nature", которая была издана на русском языке под названием "Силы материи и их взаимоотношения" (М., Государственное антирелигиозное издательство, 1940). Настоящий перевод отличается от изданного. - Прим. перев.

3

См., например, книгу A. Kelly, Strong Solids, Oxford, 1966, а также гл. 10 настоящей книги.

4

Искусство наводить скуку состоит в стремлении рассказать обо всем (франц.).

5

Для воспитанного на идиомах английского читателя мел и сыр представляют собой образцовый пример совершенно различных веществ: в английском языке существует выражение as different as chalk is from cheese. - Прим. перев.

6

Железнодорожный мост через реку Тэй в ее устье (длиною почти 3 км) был построен Т. Баушем в 1879 г. Его считали одним из величайших технических достижений своего времени. Однако через несколько месяцев после открытия, зимней ночью мост не выдержал тяжести пассажирского поезда. Все пассажиры утонули. Расследование установило серьезные дефекты использованных материалов, ошибки в проекте и небрежности при постройке. Драматические обстоятельства катастрофы и число погибших сделали это событие печально знаменитым в английской истории. - Прим. автора к русск. изд.

7

Было время, когда в США ежегодно рушилось около 25 мостов.

8

В 1969 году Международным комитетом мер и весов для измерения величины напряжения была принята единица "паскаль". (Па). Паскаль - давление, вызываемое силой 1Н (ньютон), равномерно распределенной по поверхности площадью 1 м2 - Прим. перев.

9

Пропорционально (лат.).

10

S.В. Hamilton, History of Technology, 4.

11

Однажды я исследовал конструкцию вагона из пластика для Британских железных дорог. Двери, которые нормально открывались и закрывались, когда вагон был пуст, заклинивались, когда он был полон пассажиров в часы пик.

12

Поскольку кривая межатомных сил плавно проходит через нулевую точку величина E для любого материала одинакова как в случае растяжения, так и в случае сжатия. Если бы этого не было, математическая теория упругости оказалась бы еще сложнее. Однако модули материалов, содержащих довольно большие внутренние поры, при растяжении и сжатии иногда бывают различными. При сжатии модуль больше благодаря тому, что поры и трещины смыкаются.

13

Общий вес балластной воды, необходимой для погружения такой лодки, будет около 100 т. Следовательно, упругая деформация корпуса потребует заметного изменения балласта.

14

Мост для ослов (лат.). Так говорят о том, что, не являясь сложным само по себе, представляет тем не менее затруднение для начинающего. Источник выражения - "Геометрия" Евклида (III век до н.э.). - Прим. перев.

15

В действительности эту честь он должен разделить со своим коллегой Вильямом Фэйрбэрном.

16

В 1966 году почетный вице-президент Королевского общества кораблестроителей Дж. Муррей заявил: "С 1950 года лишь 26 судов разрушились в открытом море. Из большого числа судов, благополучно проплававших в море и затем обследованных в доках, примерно 20% имели трещины в главной корпусной ферме" ("Таймс" от 23 марта 1966 года). Несколько дней спустя пришло известие о двадцать седьмом судне, сломавшемся пополам в штормовую погоду на Тихом океане.