Давление твердых тел в природе
Давление твердого тела - это в первую очередь первый враг строителей. Из-за того, что существует давление твердых тел, невозможно осуществить некоторые проекты в принципе. Интересно, что древние, наоборот пользовались этим свойством, создавая величественные сооружения. Пирамиды и множество других памятников архитектуры - все это результаты кропотливой работы при создании величественных шедевров. Рассмотрим, что такое давление относительно твердых тел.
Найденная еще в те времена формула давления твердых тел гласит:
Р = F/S,
т.е. сила, действующая на поверхность и есть давление предмета.
Стоит отметить, что фактически, сила давления тела всегда положительная и действует в обоих направлениях. Тут действует Первый закон Ньютона - сила действия равна силе противодействия. Применимо к жизни - давление, которое оказывает вес здания, будет одинаковым для его нижних слоев и фундамента. Поэтому проектировщики-строители всегда рассчитывают, выдержит ли фундамент такое здание. Конечно, в этот расчет входят и другие факторы (сила ветра - от крыши, грунтовые воды, сейсмическая активность и пр.).
Почему необходимо человеку рассредоточить свой вес по большей поверхности? И тут вспомните иголку или нож. И то и другое имеет острую часть, для лучшей проникающей способности. Теперь вспомните лыжи и гусеничные тракторы. Лыжники не проваливаются в снег, а тракторы имеют хорошую проходимость по болотам, так как у них большая площадь контакта - для меньшей погружаемости. Это и отображает основная формула, показывающая давление твердых тел - при одинаковой силе, но разной площади, давление будет разным. Оно будет обратно пропорциональным площади. Т.е. чем больше площадь, тем больше давление. И наоборот.
Теперь вернемся к строителям. Почему же у них давление - большая головная боль? Все дело в той самой площади. Ведь чем прочнее материал, тем он тяжелее. Вспомните тяжелые бетонные плиты-перекрытия. Конечно, в наше время существуют множество прочных и легких материалов. Но и тут не все просто. Любой строительный проект оценивается рентабельностью. А если цена на такие супер-материалы высокая, то и смета на строительство будет большой. В результате, либо заказчик не потянет по финансам, либо проект будет окупаться очень долго. Но ведь мы уже говорили выше, что древние использовали давление твердых тел в свою пользу.
В те времена строительные материалы были довольно ограниченны в ассортименте и в количестве. Ведь добывающей промышленности не было, а камень высекали вручную. Связующих элементов типа бетон или раствор тоже не было. Приходилось использовать вместо крепления давление твердых тел. Дело в том, что чем больше давление, тем больше требуется прочность от материалов. Но с другой стороны, это и большая сила трения. А она, как известно, может иметь огромные значения. В итоге получаем, что крепеж был и не нужен, все держалось на силе тяжести и силе трения.
Теперь представьте, какое давление оказывает состав поезда на рельсы - 300000 кПа!!! При давлении специализированного гусеничного трактора - 20 кПа. Довольно интересный момент, казалось бы, тяжеленный болотный трактор, создает относительно низкое давление на грунт. Это позволяет ему передвигаться по непроходимым и болотистым местностям за счет широких гусениц. Если говорить про упомянутое выше трение, то оно бывает разных типов и определяется по формуле:
F = µ×N, [Н]
где F - сила трения [Н],
µ - коэффициент трения,
N - нормальная реакция [Н].
Сила давления как видно, имеет как положительный, так и отрицательный момент. Природа приспособилась к этому явлению. Люди от гениальных простых конструкций перешли к изобретению новых материалов и технологий. Такое явление в природе есть и с ним нужно считаться.