Упругость – удивительное свойство материалов, позволяющее им менять форму и объем под нагрузкой, но возвращаться к исходным при ее снятии. Благодаря этому в нашей жизни появились резиновые изделия, пружины, амортизаторы и многое другое.
Физическая природа упругости
Упругость – это способность тела восстанавливать свою форму и размер после прекращения действия силы. Когда на тело действует сила, происходит его деформация – изменение формы или объема. Если эта деформация обратима после снятия нагрузки, то она называется упругой.
Упругость твердых тел обусловлена взаимодействием атомов и молекул, из которых они состоят. Атомы в кристаллической решетке находятся на определенных равновесных расстояниях друг от друга и удерживаются силами притяжения и отталкивания. Когда на тело действует внешняя сила, эти расстояния изменяются, что приводит к появлению внутренних напряжений, стремящихся вернуть атомы в исходное положение.
Величина упругой деформации прямо пропорциональна приложенной силе. Этот закон носит название закона Гука. Коэффициентом пропорциональности в нем является модуль упругости – характеристика материала, отражающая его жесткость.
С ростом температуры амплитуда тепловых колебаний атомов увеличивается, и они слабее удерживаются в узлах кристаллической решетки. Поэтому модуль упругости падает с повышением температуры.
- У твердых тел сохраняется упругость как формы, так и объема.
- Жидкости не сохраняют форму, но обладают объемной упругостью.
- Газы также демонстрируют только объемную упругость, обусловленную хаотическим движением молекул.
Измерение упругих свойств
Что такое упругость и как она измеряется? Для количественной оценки упругих свойств материалов используют два основных параметра: модуль упругости и предел упругости. Первый характеризует жесткость материала, второй – максимальные напряжения, при которых сохраняется обратимость деформации.
К примеру, у резины модуль упругости невелик, зато предел упругости высок. Поэтому она сильно растягивается под нагрузкой, но затем полностью восстанавливает форму. В то же время сталь имеет высокий модуль упругости и не сильно деформируется до предела упругости.
Помимо линейных деформаций при растяжении или сжатии, в материалах возникают и объемные деформации. Их величина описывается с помощью коэффициента Пуассона.
На упругие свойства кристаллических материалов существенное влияние оказывают различные дефекты структуры: дислокации, примеси, поры. Они могут как увеличивать, так и уменьшать предел упругости и модуль упругости.
Применение упругих свойств
Упругость материалов активно используется в технике для создания пружин, рессор, амортизаторов в автомобилях, самолетах и других транспортных средствах.
Высокая обратимость деформации полимеров позволяет широко применять резину и пластмассы для производства покрышек, труб, изоляции, упаковки, бытовых изделий.
В строительстве упругие свойства используются при возведении мостов, небоскребов, стадионов, дорог – для выдерживания больших нагрузок.
| Материал | Модуль упругости, ГПа |
| Сталь | 200 |
| Алюминий | 70 |
| Дерево (сосна) | 10 |
| Резина | 0,01 |
Перспективным направлением является создание материалов со свойством "памяти формы", способных к управляемой обратимой деформации под воздействием температуры или магнитного поля. Они могут найти широкое применение в медицине, авиации, робототехнике.
Применение упругих свойств
При выборе материалов для конструкций важно учитывать требуемые значения модуля упругости и предела упругости. Например, для пружин необходим высокий модуль и предел упругости, чтобы обеспечить значительную деформацию под нагрузкой и полное восстановление формы после разгрузки. Для амортизаторов, наоборот, требуется невысокий модуль упругости, чтобы смягчать ударные нагрузки.
Создание композитных материалов
За счет комбинирования различных материалов в композитах удается добиться уникального сочетания легкости, прочности и упругости. Например, волокнистые полимерные композиты, армированные углеродными нанотрубками, демонстрируют гигантский модуль упругости при минимальной плотности.
3D-печать из функциональных материалов
Аддитивные технологии открывают новые возможности для конструирования деталей и устройств с заданными деформационными характеристиками. С помощью 3D-печати можно создавать градиентные структуры, сочетающие в одном объекте жесткие и податливые участки.
Медицинские имплантаты
Для изготовления имплантатов все чаще используются материалы на основе никелида титана (нитинола) с эффектом памяти формы. Благодаря высокой биосовместимости и способности к управляемой деформации под воздействием температуры, они позволяют реализовать новые решения в ортопедии и хирургии.
Материалы с отрицательным коэффициентом Пуассона
Существуют необычные материалы, у которых при растяжении в одном направлении наблюдается не сужение, а расширение в поперечном направлении. Это связано с их микроструктурой и особенностями деформации. Такие материалы могут применяться в качестве датчиков давления и напряжений.
