В 30-е годы прошлого века инженеры установили удивительный факт. Оказалось, что прочность реальных тел не только в сотни раз меньше расчетной, но и уменьшается по мере увеличения размеров тела, чего не должно было быть вообще, исходя из классического представления о твердых телах.

В эти же 30-е годы Цвики обнаружил, что прочность (гравитационная устойчивость к динамическим воздействиям) скоплений галактик в сотни раз выше, чем «гравитационная прочность» тел на Земле или в Солнечной системе. Эти два парадокса до сих пор не получили внятного объяснения.

Прочность электромагнитных систем

Именно электромагнитные силы обеспечивают макротелам прочность, ибо они связывают атомы вместе в различные тела (ковалентные, металлические, ионные, силы Ван-дер-ваальса). Именно они определяют прочность тел в Макро-диапазоне, в Мега-диапазоне прочность тел определяют гравитационные силы (см. выше).

Все эти силы давно изучены и измерены в тысячах экспериментов. Прочность любого тела легко определить, суммируя вся силы, связывающие атомы в его слабом сечении. Именно поэтому инженеры испытали шок, когда выяснили, что реальная прочность твердых тел весьма далека от теоретической.

При сравнении механических свойств е данными теоретических расчетов получается, что теоретическая прочность во много раз превышает практическую прочность металлов. Так, например, теоретический предел прочности железа, полученный расчетным путем (исходя из сил сцепления и теплоты сублимации), равен 56000 МПа, в то время как практический предел прочности железа равен 280 МПа, т.е. превышает в 200 раз, а для некоторых тугоплавких металлов превышает даже в 1000 раз.

http://materiology.info/ref/teoreti2eska9_pro2nost5.html

Объяснение этому нашли, хотя и не сразу – дело в дефектах упаковки, она никогда не бывает идеальной и любое тело насыщено множеством пор, разрывов, дислокация и включений, которые в сотни раз снижают его прочность. Нет ничего идеального. Пытались вырастить кристаллы с теоретической прочностью. Даже в невесомости, на орбите. Ничего не получилось. Удалось лишь приблизиться к идеальной прочности, выращивая т.н. «усы» - микронные нити различных материалов с очень маленьким диаметром. Почему у маленьких усов прочность ближе к теоретической?

Масштабный эффект

А в 30-х годах в США в лабораторных экспериментах было установлено, что прочность не просто отличается от теоретической, она быстро падает по мере увеличения размеров тела.

Это явление получило название масштабного эффекта.

Масштабный эффект. Механическую прочность стали и ее работоспособность обычно определяют в лабораторных условиях на образцах малых размеров по сравнению с действительными изделиями. Эти данные используют для оценки пригодности стали и для расчета конструкций.

Однако, в действительности существуют расхождения механических свойств конкретных изделий и образца даже при соблюдении подобия геометрических размеров и условий испытания с условиями эксплуатации. Эти явления называют масштабным эффектом или масштабным фактором.

Приведем лишь один из примеров его действия (рис.1)

Из графика видно, что при увеличении диаметра кристалла железа с 2 до 16 микрон прочность падает в 8 (!) раз. О чем это нам говорит в повседневной практике? О том, что все нужно делать из маленьких деталей, из нитей и микроскопических кристаллов. Именно на этом пути и были открыты композиционные материалы.

Масштабный эффект для непосвященного человека (а их 99,9%) – своего рода чудо. Чтобы это понять, приведем простейший пример.

формате PDF (3578Кб)