Рис. 1. Наглядная модель химических связей в твердом теле
Когда твердое тело полностью свободно от механических нагрузок (чтобывает, строго говоря, очень редко), химические связи, или пружины в нашеймодели, находятся в нейтральном положении (рис. 1, а). Любая попыткасблизить атомы (это мы называем сжатием) или оттянуть их друг от друга(что обычно называется растяжением) сопровождается небольшим укорочением(рис. 1, б) или удлинением (рис. 1, в) межатомных пружинво всем объеме материала. При этом ядра атомов считаются жесткими, крометого, в твердом теле атомы обычно не обмениваются местами, по крайней мерепри умеренных, или "безопасных", нагрузках. Таким образом, податливостьтвердого тела определяется межатомными связями. Жесткость этих связей можетизменяться в широких пределах, но для большинства веществ она намного выше,чем у тех металлических пружин, с которыми мы встречаемся в повседневнойжизни. Очень часто величины межатомных сил весьма и весьма велики. Этогои следовало ожидать, если вспомнить о силах, которые могут быть полученыпри разрыве химических связей горючих или взрывчатых веществ.
Хотя абсолютно жестких тел, то есть таких, которые под действием внешних силсовершенно не изменяют своей формы, в природе не бывает, смещения во многихпредметах часто оказываются очень малыми. Например, если я наступлю на обычныйстроительный кирпич, то его высота уменьшится примерно на 1/20000 см. А двалюбых соседних атома в кирпиче станут ближе один к другому на расстояние~1/500000A (2·10 см).Величина эта невероятно мала, но она соответствует совершенно реальнымперемещениям атомов. Конечно, в крупных конструкциях перемещения элементов невсегда малы. Канаты, на которых висит мост через залив Форт (Шотландия), всевремя растянуты примерно на 0,1%, что при их общей длине почти 3 км составляетоколо 3 м. В этом случае атомы железа, расстояние между которыми в ненагруженном состоянии около 2 А, удаляются на величину ~2/1000 А.
Тот факт, что расстояние между атомами действительно изменяется поднагрузкой, был многократно про верен путем постановки самых различных экспериментов.Наиболее наглядные результаты дает стандартный метод измерения межатомныхрасстояний по отклонению пучка рентгеновских лучей при прохождении егочерез кристалл, основанный на явлении дифракции. Более чем полувековаяпрактика позволила довести этот метод до весьма высокой точности. Опытыпоказали, что смещения атомов в металлах, например, строго пропорциональнывеличине, на которую удлиняется (или укорачивается) весь кусок металла.В этих экспериментах наблюдались изменения межатомных расстояний примернодо 1%. На рис. 2 показаны результаты измерений на мягкой стали, в котороймаксимальные смещения атомов были около 0,5%.
Рис. 2. Сравнение напряжений, установленныхэкспериментально с помощью дифракции рентгеновских лучей (методом двухэкспозиций), с расчетными напряжениями, вычисленными по кривизне изогнутойбалки (отожженная малоуглеродистая сталь). Белый кружок - данные экспериментатораA, черный - экспериментаторов B и C.
Напряжения и деформации, что это?
Все эти рассуждения подводят нас к понятиям "напряжение" и "деформация". Когдамы говорили о силах, то имели в виду полные величины сил, действующих на тело.Такой силой мог быть любой груз. Когда мы говорили о смещении под нагрузкой, тоимели в виду полные смещения независимо от размеров объекта, будь он большимили малым. Однако все это не позволяет нам сравнивать большой объект подбольшой нагрузкой с малым объектом под меньшей нагрузкой. Например, если изстали одного сорта изготовить крошечную деталь пишущей машинки и корпусвоздушного лайнера, то какие характеристики этого материала, работающего встоль различных условиях, можно было бы сравнивать? Без ответа на этот вопросмы не можем продолжать разговор о материалах и конструкциях. Нужные намвеличины называются напряжением и деформацией. Напряжение - это нагрузка,отнесенная к единице площади, то есть σ= P/F, где σ - напряжение, Р- нагрузка, F - площадь. Приведенная формула также повседневна, как и привычные всем выражения "килограмм масла стоит 3 рубля" или "машина проходит10 километров на одном литре бензина". Следовательно, если мы снова возьмемкирпич с поперечным сечением 25x12 см, то есть площадью сечения 300 см, и янаступлю на него, приложив к нему силу своего веса 75 кг, то сжимающеенапряжение, которое я вызову в кирпиче, будет σ = P/F = 75/300 = 0,25кг/см
Точно так же, если кирпичная опора моста имеет поперечное сечение 10x5м и на мост въезжает локомотив весом в 125 т, то сжимающее напряжение вкирпичной кладке будет около 0,25 кг/см.Теперь мы с полной определенностью можем сказать, что в обоих случаях напряженияв кирпиче примерно одинаковы, и если одна конструкция не разрушается, то,по-видимому, не разрушится и другая. Что касается кирпичей, то их молекулыподжимаются одна к другой одинаковыми силами, хотя вес локомотива и весмоего тела совершенно различны. Очевидно, что инженера должны интересоватьименно такие величины.
Напряжение может быть выражено в килограммах на квадратный миллиметр(кг/мм), килограммах на квадратный сантиметр (кг/см), ньютонах наквадратный метр (Н/м) или других подобных единицах.
Разумеется, эти единицы применяются к любым поперечным сечениям и к любойточке, а не только к квадратным миллиметрам, квадратным сантиметрам и т.п. То,что цена одного килограмма масла 3 рубля, вовсе не означает, чтоее используют лишь для веса в один килограмм. Деформация - это величинаудлинения стержня под нагрузкой, отнесенная к начальной длине. Очевидно,что отрезки различной длины при одной и той же нагрузке получают в конструкцияхразличное удлинение. Если обозначить деформацию через ε,тоε = Δl/ l
где Δl - полное удлинение, а l - начальная длина. Так что, если стержень длиною 100 см под нагрузкой удлиняетсяна 1 см, его деформация будет 1/100, или 1%. Такая же деформация будету стержня длиной 50 см, растянутого на 1/2 см, и т.д. При этом толщинастержня роли не играет, не важно также, что вызвало удлинение.
В данном случае нас интересует лишь то, насколько изменилось взаимноеположение атомов и молекул. Деформация, так же как и напряжение, не зависитот размера образца. Деформация есть отношение удлинения к начальной длине,и, следовательно, она безразмерна и не зависит от того, какой системойединиц мы пользуемся.
Закон Гука
Роберт Гук был первым, кого осенила догадка о том, что происходит принагружении твердого тела. Он был не только физиком, но и известным архитектороми инженером. Ему нередко случалось беседовать со знаменитым часовых делмастером Томасом Томпионом (1639–1719). Они толковали о поведениипружин и маятников. Ничего не зная, конечно, о химических и электрическихмежатомных связях, Гук понял, что часовая пружина - всего лишь частныйслучай поведения любого твердого тела, что в природе нет абсолютно жесткихтел, а упругость является свойством всякой конструкции, всякого твердоготела.
Свои претензии на приоритет Гук оговорил в работе "Десяток изобретений,которые я намерен опубликовать" (1676). Среди других проблем там была "Истиннаятеория упругости и жесткости". Под этим заголовком стояла лишь анаграммаceiiinosssttuu, которую можно было понимать как угодно. Лишь тремя годамипозже в трактате о пружинах "De potentia restitutiva" ("О восстанавливающейсиле") Гук расшифровал ее латинской фразой "Ut tensio sic uis" - "Каково удлинение, такова и сила".
Иными словами, напряжение пропорционально деформации, и наоборот. Так, еслиупругое тело, например струна, удлиняется на 1 см под нагрузкой 100 кг, то поднагрузкой 200 кг удлинение составит 2 см и так далее, prorata. Это утверждение известно какзакон Гука. Оно является краеугольным камнем всей техники.
По существу, закон Гука является приближенным соотношением, которое вытекаетиз характера межатомных взаимодействий. Различные типы химических связей(Приложение I) в конечном счете дают зависимостьдействующей между двумя атомами силы от расстояния между атомами, как этосхематически показано на рис. 3.