В чем измеряется жесткость: единицы, формулы и способы определения
Жесткость - одна из важнейших характеристик материалов и конструкций, от которой зависят их прочность и долговечность. Давайте разберемся, как определяется и измеряется жесткость, какие существуют формулы для ее расчета.
Понятие жесткости и ее роль
Жесткость - это способность тела сопротивляться деформации под действием внешних сил. В СИ жесткость измеряется в ньютонах на метр (Н/м).
Согласно закону Гука, сила, возникающая при деформации, прямо пропорциональна этой деформации. Коэффициент пропорциональности называется коэффициентом жесткости.
От жесткости зависит сопротивление детали или конструкции деформации. Чем выше жесткость, тем меньше деталь деформируется под нагрузкой. А значит, меньше опасность разрушения или потери работоспособности.
Различие модуля упругости и жесткости
Не стоит путать модуль упругости материала и жесткость тела:
- Модуль упругости - характеристика материала, не зависит от размеров;
- Жесткость зависит от материала, размеров и формы тела.
Например, стальной стержень большего сечения при том же материале будет жестче, чем такой же стержень меньшего сечения.
Виды жесткости для разных тел
Различают несколько основных видов жесткости:
- Осевая жесткость - при растяжении-сжатии вдоль оси;
- Изгибная жесткость - при изгибе балок, пластин;
- Крутильная жесткость - при кручении вала, трубы вокруг оси.
Для каждого случая существуют свои формулы расчета жесткости через размеры, материал и нагрузку. Рассмотрим для примера стержень круглого сечения, нагруженный осевой силой:
Здесь Е - модуль упругости материала, d - диаметр сечения, l - длина стержня, Δl - удлинение стержня.
А вот формула для расчета крутильной жесткости такого же цилиндрического стержня:
Где G - модуль сдвига материала, φ - угол закручивания стержня, r - радиус сечения, l - длина.
Жесткость воды
Помимо твердых тел, можно говорить и о жесткости воды - содержании в ней солей жесткости, в основном кальция и магния. В чем измеряется жесткость воды в России - жесткость воды измеряется в градусах и регламентируется ГОСТом.
Согласно рекомендациям ВОЗ, оптимальная жесткость воды в химии для питьевой воды - около 5 градусов. Московская вода как раз относится к водам средней жесткости.
Знание жесткости воды важно для настройки бытовой техники - посудомоечных и стиральных машин. Для перевода жесткости воды в разные системы единиц используется калькулятор жесткости воды.
Методы определения жесткости воды
Существует несколько способов определения жесткости воды:
Лабораторные методы
- Титриметрический метод по ГОСТ - основан на осаждении ионов кальция и магния;
- Комплексонометрический метод - измерение концентрации ионов металлов;
- Фотометрический метод - изменение оптических свойств раствора.
Экспресс-методы
- Тест-полоски для быстрого качественного анализа;
- Пенометод - по объему образующейся пены;
- Электропроводность - измеряют проводимость в зависимости от ионов.
Расчетные методы
Жесткость воды может быть рассчитана на основе других показателей ее химического состава:
- По содержанию кальция и магния;
- По минерализации воды;
- По значениям pH и щелочности.
Значение жесткости воды
Знание уровня жесткости важно для:
Бытового применения
- Настройки стиральных и посудомоечных машин;
- Выбора моющих средств;
- Предотвращения образования накипи.
Промышленного использования
- Котельных, теплообменников - предотвращение отложений;
- Пищевой промышленности - производства напитков;
- Текстильной промышленности - для крашения и отбеливания.
Регулирование жесткости воды
При необходимости применяют следующие методы обработки:
Физические методы
- Дистилляция, обратный осмос;
- Ионный обмен на фильтрах;
- Электроумягчение воды.
Химические методы
- Известково-содовое умягчение;
- Фосфатирование воды;
- Добавление ингибиторов отложений.
Нормы жесткости воды
Гигиенические нормативы содержания вредных веществ в питьевой воде устанавливает СанПиН. Для общей жесткости норматив - не более 7°Ж.
Однако оптимальные значения для региона могут отличаться. Так для Москвы жесткость в пределах 4-6°Ж является физиологически полноценной.
Применение калькуляторов жесткости
Для перевода жесткости воды в разные единицы применяются специальные калькуляторы:
Расчет для бытовой техники
Бытовые приборы (стиральные машины, посудомоечные машины) настраиваются в зависимости от жесткости воды. Калькуляторы на сайтах производителей бытовой техники позволяют определить нужные параметры.
Удобство для пользователя
Калькуляторы жесткости воды позволяют быстро перевести единицы жесткости, используемые:
- В России (градусы жесткости);
- За рубежом (мг-экв/л, ppm, nmol/л и др.);
- В документации к технике (жесткость для конкретной марки).
Онлайн-сервисы
Существуют удобные онлайн-калькуляторы для жесткости воды с широкими возможностями:
- Перевод единиц жесткости воды в разные системы;
- Расчет дозы моющих средств в бытовой технике;
- Определение параметров для водоочистного оборудования.
Положительные свойства жесткой воды
Несмотря на некоторые неудобства, жесткость воды имеет и пользу:
Поступление минералов
Жесткая вода содержит такие важные для организма минералы как кальций и магний. При недостатке этих элементов могут развиваться заболевания.
Укрепление иммунитета
Минералы жесткой воды способствуют нормальной работе сердечно-сосудистой системы, улучшают кровообращение и обменные процессы.
Недостатки жесткой воды
При всех полезных свойствах, жесткая вода имеет и определенные минусы:
Образование накипи
Из-за выпадения в осадок солей жесткости на нагревательных элементах бытовых приборов образуется накипь. Это приводит к поломкам и увеличению расхода электроэнергии.
Порча вещей
Жесткая вода при стирке может испортить деликатные ткани, если не добавлять специальные средства. Кроме того, она хуже смывает жир и грязь с одежды.
Пересушивание кожи и волос
Соли жесткости способствуют более интенсивному испарению влаги с поверхности кожи и волос. Это приводит к их пересушиванию.
Смягчение жесткой воды
Для устранения нежелательных эффектов применяют разные методы обработки жесткой воды:
Фильтры для воды
Бытовые фильтры на основе ионообменных смол эффективно снижают жесткость. Однако требуют регулярной замены картриджей.
Электромагнитные устройства
Электромагнитная обработка воды предотвращает отложение солей жесткости, но полностью не удаляет их из воды.