Таким образом, модуль самого жесткого из твердых тел (алмаза) почтив 200 000 раз больше модуля резины, тоже твердого тела. У резин модульупругости очень мал, потому что резина состоит из длинных гибких молекулярныхцепочек, которые в ненагруженном материале изгибаются, свиваются, сплетаются,словом, ведут себя подобно ниткам в спутанном клубке. Когда резину растягивают,изогнутые цепочки распрямляются, и совершенно очевидно, что необходимаядля этого сила будет намного меньше той, которая потребовалась бы, чтобырастянуть пучок нитей, вытянутых в одном направлении. Совершенно иная картинанаблюдается в кристалле. Прикладывая к нему силу, мы действуем непосредственнона межатомные связи, и единственная причина большой разницы в величинеЕдля разных кристаллов заключена в различной жесткости самих химическихсвязей. Наклон прямого участка кривой межатомного взаимодействия оченьсильно зависит от энергии межатомной связи. Но общая форма кривой для всехкристаллов одинакова.
Если обратить внимание на величину Е для фталоцианина, то нетруднопонять, почему огромное множество твердых химических соединений не можетбыть использовано в качестве конструкционных материалов. Вообще говоря,мы всегда хотим, чтобы наши конструкции были как можно жестче: колебаниямостов и зданий и без того велики. А если сделать конструкцию из материалас жесткостью фталоцианина, она никуда не будет годиться. Сталь – наиболеежесткий из сравнительно дешевых материалов, и в этом одна из причин ееширокого использования. Пластики, даже армированные стеклопластики, имеютнизкую жесткость, что ограничивает их применение для крупных конструкций.
Прочность
По-видимому, наиболее убедительно в рекламе продаваемой вещи звучатслова “не боится огня” и “не ломается”. И хотя почти все мы знаем, чтоавторы рекламы не очень объективны, все же реклама находит адресата, ивсегда можно встретить людей, искренне убежденных в том, что существуют(или, по крайней мере, должны существовать) какие-то действительно неразрушающиесяпредметы. Однако создать такие предметы невозможно, поскольку энергия химическихсвязей не бесконечна, и эти связи имеют определенную прочность. Нужно лишь,надежно закрепив предмет, достаточно сильно на него нажать или потянуть,и он сломается. Вопрос лишь в том, когда.
Следует четко усвоить, что прочность и жесткость не одно и то же. Жесткость(модуль Юнга) показывает, насколько податливым является материал. Прочностьхарактеризуется напряжением, необходимым для того, что бы этот материалразрушить. Печенье – жестко, но непрочно; сталь – и жесткая, и прочная;нейлон – нежесткий, гибкий, но прочный; малиновое желе – и нежесткое, инепрочное. Вряд ли можно ожидать большей информации о свойствах твердоготела, если пользоваться лишь двумя его характеристиками.
Проще всего начать с прочности на разрыв. Это – напряжение, необходимое длятого, чтобы разорвать материал на части, разрушив все межатомные связи вдольповерхности разрыва. Представьте себе стержень, который растягивается вдольоси. Стержень из очень прочной стали может выдержать растягивающее напряжение300 кг/мм. А вот обычный кирпич выдержит лишь 0,4–0,6 кг/мм.Следовательно, прочность материалов, используемых в технике, может изменятьсяпримерно в 1000 раз.
Ниже приведена прочность на разрыв некоторых наиболее часто применяемыхматериалов.
Материал / Прочность, кг/мм
Металлы
Стали
рояльная проволока / 300
высокопрочная сталь / 150
низкоуглеродистая сталь / 40
Чугун
обычный / 7–15
современный / 15–30
Другие металлы
чистый алюминий / 7
сплавы алюминия / 15–60
медь / 15
латуни / 12–40
магниевые сплавы / 20–30
титановые сплавы / 75–150
Неметаллы
древесина, ель
вдоль волокон / 10
поперек волокон / 0,3
стекло (оконное и посудное) / 3–20
хорошая керамика / 3–35
обычный кирпич / 0,5
льняное волокно / 70
хлопок / 35
шелк / 35
паутина / 25
сухожилие / 10
пеньковый канат / 8
кожа / 4
кость / 15
Говоря о прочности, мы обычно имеем в виду прочность на разрыв, хотяматериалы чаще работают на сжатие, чем на растяжение. Казалось бы, еслимы пытаемся прижать атомы один к другому, это не должно вызывать разрушения.Однако разрушение происходит, хотя и представляет собой явление более сложное,чем разрыв. Под действием сжимающей нагрузки материал может ломаться самымразличным образом.
Если мы сжимаем достаточно короткий стержень, на пример подставку, подпоркуили что-нибудь в этом роде, из материала мягкого, пластичного, подобногомеди или мягкой стали, то материал просто растечется в разные стороны,словно пластилин. Если стержень сделан из хрупкого материала (камень, стекло),то при сжатии он разлетится, обратившись в осколки и пыль (иногда это бываетдовольно опасным). Если же вы навалитесь на тонкую трость, она выгнется,а затем сломается пополам – так ведут себя при сжатии любые длинные гибкие
