Изотропия - это что такое, в чем ее важность? Какие материалы являются изотропными, а какие - анизотропными. В этой статье мы ответим на эти вопросы и приведем для вас несколько примеров каждого из таких материалов.
Почему карандаши пишут?
Вы когда-нибудь задумывались, почему карандаши так хорошо пишут? Если вы попытаетесь написать на листе бумаги с помощью компьютерного стилуса, то он не будет писать. Так в чем же дело с карандашом? Причина в том, что карандаш сделан из многослойного материала под названием графит. Каждый слой графита имеет атомы углерода, которые сильно связаны друг с другом. Эти крепкие связи очень трудно разорвать. С другой стороны, связи между самими графитовыми слоями очень слабые, поэтому слоям очень легко скользить мимо друг друга.
Карандаш пишет так хорошо, потому что слои графита могут легко скользить мимо друг друга и оставить след графита на бумаге. Атомы углерода прочно связаны друг с другом в слое графита, который силен в одних направлениях и слаб в других. Иные материалы, такие как стекло, имеют одинаковые свойства во всех направлениях. Поэтому мы можем классифицировать эти материалы по их изотропии.
Понятие
Термин "изотропия" происходит от греческих слов isos ("равный") и tropos ("путь") и означает равномерное во всех направлениях. Изотропные материалы, например стекло, показывают такие же материальные свойства во всех направлениях, тогда как анизотропные материалы (графит) показывают различные материальные свойства в зависимости от направления.
Одним из материальных свойств графита является прочность, но есть и другие свойства, которые можно рассмотреть. Например, теплопроводность, электрическое сопротивление и поглощающая способность (мера того, сколько света поглощает материал).
Изотропные материалы
Два распространенных типа изотропных материалов - это металл и стекло. В металлах электроны разделены многими атомами во всех направлениях, поэтому металлические связи являются неориентированными. В результате свойства металлов часто очень похожи во всех направлениях, это означает, что металлы, как правило, являются изотропными.
Стекловидные материалы также изотропны. Атомы, из которых состоит стекло, плохо организованы в любом направлении, поэтому свойства материала, как правило, одинаковы во всех направлениях. Важно помнить, что даже если материал имеет анизотропные области, то в целом может быть изотропным, если анизотропные области случайным образом ориентированы так, что могут отменить друг друга.
Изотропия
Изотропия - это однородность во всех ориентациях. Точные определения зависят от предметной области.
- Математика. В математике изотропия имеет несколько различных значений: изотропные многообразия, изотропная квадратичная форма, в сложной геометрии линия через начало координат в направлении изотропного вектора является изотропной линией и так далее.
- Физика. В квантовой механике или физике частиц изотропия - это одно из свойств элементарных частиц. Когда бесспиновая частица распадается, результирующее распределение распада должно быть изотропным в остальном кадре распадающейся частицы независимо от детальной физики распада. Это следует из вращательной инвариантности Гамильтониана, которая, в свою очередь, гарантируется для сферически симметричного потенциала. Кинетическая теория газов также является примером изотропии. Предполагается, что молекулы движутся в случайных направлениях и, как следствие, существует равная вероятность движения молекулы в любом направлении. Таким образом, когда в газе много молекул, с высокой вероятностью будут очень похожие числа, движущиеся в одном направлении, как и любые другие, следовательно, демонстрирующие приближенную изотропию.
- Гидродинамика. Поток жидкости изотропен, если нет направленного предпочтения (например, полностью развитой 3D-турбулентности).
- Тепловое расширение. Твердое тело называется изотропным, если расширение твердого тела равно во всех направлениях, когда тепловая энергия предоставляется твердому телу.
- Электромагнетизм. Изотропная среда является такой же, что диэлектрическая проницаемость, простейшим примером является свободное пространство.
- Оптика. Оптическая изотропия - это наличие одинаковых оптических свойств во всех направлениях. Индивидуальные отражение или пропускаемость доменов усредняются, если высчитаны макроскопические отражение или пропускаемость. Это можно проверить, просто исследовав, например, поликристаллический материал под поляризационным микроскопом с пересечением поляризаторов: если кристаллиты больше предела разрешения, они будут видны.
- Материаловедение. При изучении механических свойств материалов "изотропность" - это наличие одинаковых значений свойства во всех направлениях. Это определение также используется в геологии и минералогии. Стекло и металлы являются примерами изотропных материалов. Общие анизотропные материалы включают древесину и слоистые породы, такие как сланец. Изотропные материалы полезны, так как их легче формировать и их поведение легче предсказать. Анизотропные материалы могут быть адаптированы. Например, волокна в материалах волокна углерода и арматуры в армированном бетоне ориентированы на то, чтобы выдержать напряжение.
- Космология. Теория большого взрыва эволюции Вселенной предполагает, что пространство изотропно. Также предполагается, что пространство однородно. Эти два предположения вместе известны как Космологический принцип. Здесь однородность означает, что Вселенная везде одинакова, а изотропность означает, что нет предпочтительного направления.
- Клеточная биология. Что такое изотропия в клеточной биологии? Если свойства клеточной стенки более или менее одинаковы везде, она называется изотропной. Внутренняя часть клетки анизотропна за счет внутриклеточных органелл.
- Физиология. В клетках скелетной мышцы термин "изотропные" относится к световым полосам, которые вносят вклад в полосатый рисунок клеток.
- Фармакология. Хотя хорошо известно, что кожа представляет собой идеальную площадку для управления местными и системными препаратами, это серьезный барьер для проникновения большинства веществ.
- Экономика и география. Изотропная область - это область, которая везде имеет одинаковые свойства, например строительство, необходимое во многих типах моделей.
