تمثل المادة الصلبة إحدى حالات التجميع الأربع التي يمكن أن تكون فيها المادة من حولنا. في هذه المقالة ، سننظر في الخصائص الميكانيكية الكامنة في المواد الصلبة ، مع مراعاة خصائص هيكلها الداخلي.
ما هي المادة الصلبة؟
ربما يمكن للجميع الإجابة على هذا السؤال. قطعة من الحديد ، وجهاز كمبيوتر ، وأدوات مائدة ، وسيارات ، وطائرات ، وحجر ، وثلج كلها أمثلة على المواد الصلبة. من وجهة نظر مادية ، تُفهم الحالة الكلية الصلبة للمادة على أنها قدرتها على الاحتفاظ بشكلها وحجمها تحت تأثيرات ميكانيكية مختلفة. هذه الخصائص الميكانيكية للمواد الصلبة هي التي تميزها عن الغازات والسوائل والبلازما. لاحظ أن السائل يحتفظ أيضًا بالحجم (غير قابل للضغط).
ستساعد الأمثلة المذكورة أعلاه للمواد الصلبة على فهم الدور المهم الذي تلعبه في حياة الإنسان والتطور التكنولوجي للمجتمع بشكل أوضح.
هناك العديد من التخصصات الفيزيائية والكيميائية التي تدرس حالة المادة قيد الدراسة. نسرد فقط أهمها:
- فيزياء صلبةالجسم ؛
- ميكانيكا التشوه ؛
- علم المواد
- كيمياء صلبة.
هيكل المواد الصلبة
قبل النظر في الخواص الميكانيكية للمواد الصلبة ، يجب التعرف على هيكلها الداخلي على المستوى الذري.
تنوع المواد الصلبة في هيكلها رائع. ومع ذلك ، هناك تصنيف عالمي ، يعتمد على معيار تواتر ترتيب العناصر (الذرات ، الجزيئات ، المجموعات الذرية) التي يتكون منها الجسم. وفقًا لهذا التصنيف ، يتم تقسيم جميع المواد الصلبة إلى ما يلي:
- بلوري ؛
- غير متبلور.
لنبدأ بالثاني. لا يحتوي الجسم غير المتبلور على أي بنية منظمة. يتم ترتيب الذرات أو الجزيئات الموجودة فيه بشكل عشوائي. تؤدي هذه الميزة إلى الخواص الخواص لخصائص المواد غير المتبلورة ، أي أن الخصائص لا تعتمد على الاتجاه. المثال الأكثر وضوحا على الجسم غير المتبلور هو الزجاج.
الأجسام أو البلورات ، على عكس المواد غير المتبلورة ، لها ترتيب من العناصر الهيكلية مرتبة في الفضاء. على المستوى المجهري ، يمكنهم التمييز بين المستويات البلورية والصفوف الذرية المتوازية. بسبب هذا الهيكل ، فإن البلورات متباينة الخواص. علاوة على ذلك ، يتجلى تباين الخواص ليس فقط في الخواص الميكانيكية للمواد الصلبة ، ولكن أيضًا في الخواص الكهربائية والكهرومغناطيسية وغيرها. على سبيل المثال ، يمكن لبلورة التورمالين أن تنقل اهتزازات الموجة الضوئية في اتجاه واحد فقط ، مما يؤدي إلى ذلكاستقطاب الاشعاع الكهرومغناطيسي
أمثلة من البلورات تقريبا جميع المواد المعدنية. غالبًا ما توجد في ثلاثة شبكات بلورية: مكعب محوره الوجه ومكعب محوره الجسم (fcc و bcc ، على التوالي) وسداسي الشكل معبأ قريبًا (hcp). مثال آخر على البلورات هو ملح الطعام الشائع. على عكس المعادن ، لا تحتوي عقدها على ذرات ، بل تحتوي على أنيون كلوريد أو كاتيونات الصوديوم.
المرونة هي الخاصية الرئيسية لجميع المواد الصلبة
من خلال تطبيق حتى أصغر ضغط على مادة صلبة ، فإننا نتسبب في تشوهها. في بعض الأحيان يمكن أن يكون التشوه صغيرًا جدًا بحيث لا يمكن ملاحظته. ومع ذلك ، فإن جميع المواد الصلبة تتشوه عند تطبيق حمولة خارجية. إذا اختفى التشوه بعد إزالة هذا الحمل ، فإنهم يتحدثون عن مرونة المادة.
مثال حي على ظاهرة المرونة هو انضغاط الزنبرك المعدني ، والذي وصفه قانون هوك. من خلال القوة F والتوتر المطلق (الضغط) x ، يتم كتابة هذا القانون على النحو التالي:
F=-kx.
هنا k رقم ما.
في حالة المعادن السائبة ، عادة ما يتم كتابة قانون هوك من حيث الضغط الخارجي المطبق σ ، والانفعال النسبي ε ومعامل يونغ E:
σ=Eε.
معامل يونغ هو قيمة ثابتة لمادة معينة.
ميزة التشوه المرن ، والتي تميزه عن التشوه البلاستيكي ، هي قابلية الانعكاس.لا تتجاوز التغيرات النسبية في حجم المواد الصلبة تحت التشوه المرن 1٪. غالبًا ما تقع في منطقة 0.2 ٪. تتميز الخصائص المرنة للمواد الصلبة بغياب إزاحة مواضع العناصر الهيكلية في الشبكة البلورية للمادة بعد إنهاء الحمل الخارجي.
إذا كانت القوة الميكانيكية الخارجية كبيرة بما يكفي ، فبعد انتهاء عملها على الجسم ، يمكنك رؤية التشوه المتبقي. انها تسمى البلاستيك.
لدونة المواد الصلبة
لقد درسنا الخصائص المرنة للمواد الصلبة. الآن دعنا ننتقل إلى خصائص اللدونة. يعرف الكثير من الناس ولاحظوا أنه إذا ضربت مسمارًا بمطرقة ، فإنه يصبح مسطحًا. هذا مثال على تشوه البلاستيك. على المستوى الذري ، إنها عملية معقدة. لا يمكن أن يحدث تشوه البلاستيك في الأجسام غير المتبلورة ، لذلك لا يتشوه الزجاج عند الاصطدام به ، ولكنه ينهار.
تعتمد الأجسام الصلبة وقدرتها على التشوه اللدن على التركيب البلوري. يحدث التشوه الذي لا رجعة فيه بسبب حركة المجمعات الذرية الخاصة في حجم البلورة ، والتي تسمى الاضطرابات. يمكن أن يكون الأخير من نوعين (هامشي وبرغي).
من بين جميع المواد الصلبة ، تتمتع المعادن بأكبر قدر من اللدونة ، لأنها توفر عددًا كبيرًا من الطائرات المنزلقة الموجهة إلى زوايا مختلفة في الفضاء من أجل الاضطرابات. على العكس من ذلك ، فإن المواد ذات الروابط التساهمية أو الأيونية ستكون هشة. يمكن أن تعزى هذهالجواهر او ملح الطعام المذكور
هشاشة وصلابة
إذا قمت باستمرار بتطبيق قوة خارجية على أي مادة صلبة ، فسوف تنهار عاجلاً أم آجلاً. هناك نوعان من التدمير:
- هش ؛
- لزج.
الأول يتميز بظهور التشققات ونموها السريع. تؤدي الكسور الهشة إلى عواقب وخيمة في الإنتاج ، وبالتالي ، فإنها تحاول استخدام المواد وظروف التشغيل الخاصة بها التي يكون فيها تدمير المادة قابلاً للدكت. يتميز الأخير بنمو الكراك البطيء وامتصاص كمية كبيرة من الطاقة قبل الانهيار.
لكل مادة درجة حرارة تميز الانتقال الهش إلى اللدائن. في معظم الحالات ، يؤدي انخفاض درجة الحرارة إلى تغيير الكسر من مطيل إلى هش.
أحمال دورية ودائمة
في الهندسة والفيزياء ، تتميز خصائص المواد الصلبة أيضًا بنوع الحمولة المطبقة عليها. لذلك ، يتم وصف التأثير الدوري المستمر على المادة (على سبيل المثال ، ضغط التوتر) من خلال ما يسمى بمقاومة التعب. يوضح عدد دورات تطبيق قدر معين من الضغط التي تضمن المادة أن تتحملها دون أن تنكسر.
يتم أيضًا دراسة إرهاق المادة تحت الحمل الثابت ، عن طريق قياس معدل الإجهاد بمرور الوقت.
صلابة المواد
الصلابة من أهم الخواص الميكانيكية للمواد الصلبة. تعرفقدرة المادة على منع دخول جسم غريب فيها. من الناحية التجريبية ، من السهل جدًا تحديد أي الجسمين أصعب. من الضروري فقط خدش أحدهما بالآخر. الماس هو أصعب الكريستال. سوف تخدش أي مادة أخرى.
خصائص ميكانيكية أخرى
المواد الصلبة لها بعض الخصائص الميكانيكية غير تلك المذكورة أعلاه. نذكرهم بإيجاز:
- ليونة - القدرة على اتخاذ أشكال مختلفة ؛
- ليونة - القدرة على التمدد إلى خيوط رفيعة ؛
- القدرة على مقاومة أنواع خاصة من التشوه ، مثل الانحناء أو الالتواء.
وهكذا ، فإن التركيب المجهري للمواد الصلبة يحدد إلى حد كبير خصائصها.
