Tại sao chúng ta không rơi xuống sàn?

Kvant 1972, số 8 tr. 74-75 Thẻ US23

Bản dịch tự động sơ bộ, chất lượng thấp: có thể còn lỗi và câu chữ chưa tự nhiên. Bản này sẽ được thay bằng bản dịch tốt hơn. Bản gốc →

Và thực sự - tại sao? Mỗi học sinh sẽ trả lời: Vì chúng ta ấn xuống sàn và sàn ấn vào chúng ta nên các quy chiếu bằng nhau theo định luật thứ ba của Newton. Nhưng sàn nhà không biết định luật Newton – làm sao sàn biết được rằng nó phải chịu lực đẩy với cùng một lực? Phản lực phát sinh như thế nào? Tại sao sàn chịu tải? Tại sao tài liệu lại có thể đọc được? Tại sao một số chất rắn khác với những chất khác? Tại sao mọi thứ lại vỡ? Tại sao nó lại khóc, và tại sao tấm kính lại trở nên dễ vỡ? Những khái niệm như khả năng đọc, độ dẻo dai, độ dễ vỡ có nghĩa là gì? - đây là nơi J. Gordon bắt đầu cuốn sách “Tại sao chúng ta không rơi qua sàn?” *).

Viện sĩ ICO viết trong lời tựa cho bản dịch cuốn sách này: “Rất khó để viết một cuốn sách phổ biến về khả năng đọc của vật liệu và cấu trúc”. N. N. Rabotnova. “Lĩnh vực khoa học này không hiệu quả lắm, nó không chứa đựng những ý tưởng thú vị và khám phá ấn tượng có thể tạo ra trí tưởng tượng của mọi người. Khi một chiếc máy bay phản lực mới xuất hiện trên đường bay, khi một con tàu vũ trụ được đưa lên Mặt trăng hoặc một trong các hành tinh, điều này là dễ hiểu và thú vị đối với mọi người, nhưng ít người tưởng tượng rằng những thành tựu công nghệ vĩ đại trong những năm gần đây phần lớn liên quan đến việc vượt qua khó khăn chính - làm cho cấu trúc bền hơn.

*) J. Gordon. Tại sao chúng ta không rơi xuống sàn? Bản dịch từ tiếng Anh của S. T. Mileiko, lời tựa của Academician ICO. N. N. Rabotnova, M., “Mir”, 1971, 272 trang, c. 64 kopecks

Nô-ê. Nhân loại buộc phải giải quyết các vấn đề về khả năng đọc trong suốt lịch sử tồn tại của mình, nhưng điều này được thực hiện bằng cách chạm, theo kinh nghiệm. Trong giảng dạy của chúng tôi, khả năng đọc là một ngành khoa học rộng lớn và phân nhánh về các tính chất của vật liệu và các nguyên tắc tạo ra nó, mặt khác, và về các cách sử dụng khác nhau của vật liệu trong xây dựng. Hai mặt này gắn bó chặt chẽ với nhau.”

J. Gordon là giáo sư tại Đại học Reading (Anh), nhà vật lý, chuyên gia nổi tiếng trong lĩnh vực chế tạo vật liệu mới có độ bền cao và là một trong những người tiên phong trong việc sử dụng nhựa trong chế tạo máy bay. Sống động, hóm hỉnh, hài hước thuần túy tiếng Anh và kiến thức sâu rộng về chủ đề này, tác giả nói về kinh nghiệm tích lũy qua nhiều thế kỷ trong khoa học về khả năng đọc.

Tại sao vật liệu chịu được tải trọng bên ngoài? Tôi sẽ mua hỗn hợp đó xảy ra trong đó. Về bản chất không có và không thể có vật liệu cứng tuyệt đối; tất cả các vật liệu đều có tính linh hoạt ở mức độ này hay mức độ khác. Trong nhiều cơ thể, hỗn hợp rất nhỏ. Gordon nói: “Nếu tôi giẫm lên một viên gạch xây dựng thông thường thì chiều cao của nó sẽ giảm khoảng (1/20.000) cm. Và bất kỳ hai nguyên tử lân cận nào trong viên gạch sẽ trở nên gần nhau hơn (1/500.000) Å, tức là 2·10⁻¹⁴ cm”. Những hỗn hợp nhỏ như vậy có nên được tính đến? Hóa ra chúng không nhỏ đến thế! Gordon đưa ra một ví dụ: “Những sợi dây chắc chắn kéo dài qua Vịnh Forth ở Scotland,” luôn tăng trưởng đàn hồi khoảng 0,1%, nhưng với tổng chiều dài khoảng 3 km, đoạn này đã dài tới 3 mét! Những hỗn hợp nhỏ, vô hình này đôi khi dẫn đến thực tế là một nơi bằng thép có thể đột ngột sụp đổ, cuốn theo hàng chục hoặc hàng trăm sinh mạng con người, và mã hơi nước đại dương đột ngột và ngay lập tức bị đứt làm đôi. Trong 60 năm đầu của thế kỷ 20, 27 tàu hơi nước đi biển đã bị thất lạc khi bất ngờ bị gãy làm đôi trên biển khơi.”

Định luật đàn hồi cơ bản, một định luật được Robert Hooke phát hiện năm 1676, phát biểu rằng ứng suất tỷ lệ thuận với biến dạng. Ví dụ, đây là nhiệt lượng trên một đơn vị diện tích. Biến dạng là sự thay đổi kích thước dưới tác dụng của tải chia cho kích thước ban đầu. Với bất kỳ biến dạng nào, căng thẳng sẽ phát sinh trong cơ thể. Giá trị bằng tỷ số biến dạng - mô hình Young - là một đặc tính không thể thiếu của vật liệu. Mô đun Young cho biết bao nhiêu vật liệu

al là dễ uốn. Nói cách khác, nó quyết định độ cứng của vật liệu. Độ bền của vật liệu được đặc trưng bởi ứng suất cần thiết để phá vỡ vật liệu. Biến dạng nhỏ là đàn hồi. Đối với các biến dạng đàn hồi, quá trình chất tải và dỡ tải có thể tưởng tượng được; nó có thể được lặp lại hàng nghìn, hàng triệu lần. Bộ cân bằng trong đồng hồ được nạp và dỡ đàn hồi 18.000 lần mỗi giờ. Quá trình này kéo dài trong nhiều năm. Thế nhưng có lúc mùa xuân đã vỡ. Tại sao?

Gordon nói về sự tập trung ứng suất trong vật liệu và kết cấu. Sự tập trung ứng suất ở một khu vực nhỏ gần lỗ, vết cắt, khuyết tật của vật liệu, bậc thang hoặc vết xước trên bề mặt. Ứng suất cục bộ, cục bộ có thể làm gián đoạn điện áp trung bình nhiều lần. Viện sĩ Liên Xô A.F. Ioffe đã chỉ ra rằng nếu bề mặt được làm ẩm, do đó loại bỏ ảnh hưởng của các vết trầy xước và không bằng phẳng trên đó, thì một tinh thể muối đá mỏng manh có thể được tạo ra linh hoạt đến mức có thể buộc bằng tay và thậm chí thắt nút. Mọi bề mặt không bằng phẳng, vết cắt, mọi lỗ đều tạo ra sự tập trung ứng suất. Nồng độ này có thể gây tử vong cho một cấu trúc, địa điểm, con tàu, tòa nhà vững chắc.

Sự tập trung ứng suất trong vật liệu dẫn đến hình thành các vết nứt. Khi một người thợ tráng men từ chối kính, anh ta không thèm cắt toàn bộ độ dày của tấm mà chỉ tạo một vết cắt nông trên bề mặt, sau đó kính sẽ vỡ theo một vết xước như vậy. Một người thiếu kinh nghiệm cố gắng cắt một vết xước sâu hơn, một người thợ thủ công có kinh nghiệm hướng dẫn một viên kim cương sắc bén, cắt xuyên qua kính bằng một đường mỏng vẫn nhìn thấy được: anh ta biết từ kinh nghiệm rằng tác động làm yếu đi của một vết xước không phụ thuộc chút nào vào độ sâu của nó, mà chỉ phụ thuộc vào hình dạng của nó, vào độ sắc nét của cạnh nó. Mức độ tập trung ứng suất gần vết nứt phụ thuộc vào hình dạng của vết nứt và hình dạng của chúng. Nếu vết nứt hình thành do khuyết tật này hoặc khuyết tật khác của vật liệu không lan rộng thì vật liệu sẽ không bị giòn. Tuy nhiên, giống như chất dẻo, nó có thể chảy và bị phá hủy bởi áp suất. Sau khi phân tích chi tiết nồng độ ứng suất, cơ chế hình thành vết nứt và cơ chế dòng chảy dẻo, Gordon kết luận: luôn có hai cơ chế cạnh tranh quyền phá hủy vật liệu - dòng chảy tấm và vết nứt giòn. Chất liệu kém hơn cái này hay cái kia. Nếu nó bắt đầu trước khi bị nứt thì nó có tính dẻo. Nếu nó bị nứt trước khi bắt đầu rò rỉ thì chúng ta đang xử lý vật liệu giòn. Khả năng hủy diệt vốn có trong mọi vật liệu. Làm thế nào một vật liệu được tạo ra với sự kết hợp tối ưu của cả hai khả năng? Hóa ra thiên nhiên đã quan tâm đến điều này. Gordon sẽ phân tích chi tiết độ bền của vật liệu tự nhiên, kể về lịch sử hấp dẫn của việc sử dụng gỗ, rơm và thân tre trong công nghệ, đồng thời giải thích lý do tạo nên độ bền của vật liệu răng và tính linh hoạt của vật liệu xương.

Trong chất rắn kết tinh, vai trò của các chất tập trung ứng suất được thể hiện bằng sự sai lệch - những vi phạm nhỏ về trật tự tự nhiên. Gordon sẽ phân tích chi tiết độ bền của vật liệu tự nhiên, kể về lịch sử hấp dẫn của việc sử dụng gỗ, rơm và thân tre trong công nghệ, đồng thời giải thích lý do tạo nên độ bền của vật liệu răng và tính linh hoạt của vật liệu xương.

Trong chương cuối của cuốn sách, J. Gordon mô tả bức tranh chung về sự phát triển hiện đại của các quy trình kỹ thuật vật liệu và dự đoán sự phát triển của nó trong những năm tới. Ông nói về khả năng tạo ra vật liệu xốp có độ bền cao và tương lai của vật liệu gia cố.

Chúng tôi giới thiệu cuốn sách thú vị và hữu ích này tới độc giả của chúng tôi.

M. P. Shaskolskaya

GÓC SƯU TẬP

JAHRE DER RUHIGEN SONNE 1964/1965
YEARS OF THE QUIET SUN 1964/1965
NHỮNG NĂM MẶT TRỜI TUYỆT VỜI 1964-1965