8. Твердые тела

Атомы или молекулы твердых тел колеблются около определенных положений равновесия. Молекулы меняют положение равновесия очень редко, поэтому твердые тела сохраняют не только объем, но и форму. Атомы или молекулы твердых тел выдерживают между собой в среднем определенные интервалы 2 – 3 диаметра молекул. Силы притяжения и отталкивания компенсируют друг друга, При изменении расстояний между частицами возникают быстро нарастающие силы, стремящиеся вернуть тело в начальное состояние.

Аморфными называют тела, физические свойства которых одинаковы по всем направлениям. Примерами аморфных тел могут служить куски затвердевшей смолы, янтарь, изделия из стекла. Аморфные тела являются изотропными телами. Изотропность физических свойств аморфных тел объясняется беспорядочностью расположения составляющих их атомов и молекул.

Твердые тела, в которых атомы или молекулы расположены упорядочено и образуют периодически повторяющуюся внутреннюю структуру, называются кристаллами. Физические свойства кристаллических тел неодинаковы в различных направлениях, это свойство кристаллов называется анизотропностью.

Анизотропия механических, тепловых, электрических и оптических свойств кристаллов объясняется тем, что при упорядоченном расположении атомов, молекул или ионов силы взаимодействия между ними и межатомные расстояния оказываются неодинаковыми по различным направлениям.

Кристаллические тела делятся на монокристаллы и поликристаллы. Монокристаллы иногда обладают геометрически правильной внешней формой, но главный признак монокристалла – периодически повторяющаяся внутренняя структура во всем его объеме. Поликристаллическое тело представляет собой совокупность сросшихся друг с другом хаотически ориентированных маленьких кристаллов. Поликристаллическую структуру чугуна можно обнаружить, если рассмотреть с помощью лупы образец на изломе. Каждый маленьких монокристалл поликристаллического тела анизотропен, но поликристаллическое тело изотропно.

Внешнее механическое воздействие на тело вызывает смещение атомов из равновесных положений и приводит к изменению формы и объема тела, то есть к его деформации. Деформации бывают пластические: форма тела не восстанавливается после прекращения действия на него внешней силы (алюминий на изгиб), и упругие: форма тела восстанавливается (алюминий на растяжение). Выделяют следующие виды деформации: растяжение испытывают тросы подъемных кранов, буксирные тросы, сжатию подвергаются стены и фундаменты зданий, изгиб испытывают балки перекрытий в зданиях, мостах, кручение свойственно отверткам, валам машин, механизмов, генераторов.

При небольших упругих деформациях выполняется закон Гука:

При упругой деформации растяжения (или сжатия) модуль силы упругости прямо пропорционален абсолютному значению изменения длины тела.

F = - k Δx

где Δx – изменение размеров тела – деформация, измеряется в метрах, k – коэффициент упругости (жесткость), измеряется в Н/м.

Если деформация больше определенной величины – предела упругости, тело остается частично деформированным, а больше предела прочности – тело разрушается.

Материалы, которые могут выдерживать без разрушения небольшие деформации, называются хрупкими. Примерами хрупких материалов могут служить стекло, кирпич, бетон, чугун.