Қатты денелер.
Біз қатты дене жершарының бетінде, қатты денелерден салынған құрылыстарда-үйлерде өмірсүріп жатырмыз. Біздін денеміздең құрамында шамамен 65% су болғанын өзіде (мйда 80%) олкатты денеге жатады. Қатты денелердің қасиеттерін білу тіршілік үшін қажет.
Қатты денелер сұиықтар сияқты өзінің көлемін ғана сақтап қоймады, сонымен бірге пішінін де сақтай алады. Олар негізінен кристал күйде болады екен.
1)Кистал деген.
Кристалдар-атамдары немесе малекулалары кеністікте белгілі орындалып, реттеліп орналасқан қатты денелер. Кристалдың сыртқы пішіні дүрыс яғни бірқаліпті болуында осған байланысты.
Мысалы: кәдімгі ас тұзы тұиіршігінін бір-бірімен тік бұрыш жасап тұрған жазық жазық тоқтары бар. Мұны лупа арқылы астұзын қарап байқауға болады. Ал қар құлауының пішіні геометриялық шағыннан қандай дұрыс дегенімізше ! Мұндай да кристалл қатты дененің-мұздың ішкі құрылысының геметриялық дұрыстығы бейнеленген.
2)Кристалдық күйлердің айрықша белгілері.
Табиғаттағы днелердің көпшілігінің құрлымы кристалдық болып саналады.
Мысалы:барлық минералдар немесе барлық талдар қатты күйінде кристалл болып табылады.
Бірәқ сыртқы пішіні дұрыс болып келуі кристалдық реттелген құрылысының жалғыз ғана ең басты салалары бола алмай»ды. Бастысы-физикалық қасиеттердің кристалды таңдалып алынған бағытқа тәуелділігі. Ең алдымен, кристалдық механикалық біріктірігінің әртүрлі бағытта түрліше болатыны көзге түседі.
Барлық бағыттар бойынша қасиеттері бірдей болатын денелерді изотопты деп атайды. Кейбір газдар мен сұиықтардаң басқа барлық сұйықтар немесе оларды қатты денелер изотопты болып саналады.
Кенес сюданы бір бағытта жұқа пластикаларға он ай ажыратуға болады, бірақ оны пластикаларға перпендикуляр болатын бағыты жарып болу әлде қайда қиын. Сондай –ақ графит кристалы қабатарында бір бағытта оңай ажыратуға болады. Қарындаш пен жазған кезде графит қабаттары осылай үздіксіз оңай ажыратылады да, оның жұқа қабаттары қағаз бетінде қалып отырады. Бұлай болу себебі графиттің кристал торының құрылымының қат-қабат болуына байланысты.
Қабаттар көміртегі атомдарынан тұратын параллель торлар қатарынан түзілген. Атомдар дұрыс алты бұрыштардың төбелерінде орналасқан . Қабаттың арақашықтары біршама алшақ. Алтыбұрыш қабырғасынын ұындығынына қарағанда шамамен екі есе артық. Сондықтан әр қаббатың өзінің ішіндегі байланыстан гөрі, қабаттардың өзара байланысы нашарлау болады.
Кристалдың анизатроптылығының себебін оны құрайтын бөлшектердің белгілі тәрттіпен орналасуымен түсіндіруге болады. Кристалдың сыртқа беделдерінің дұрыс болуының бөлшектерінің тәртіппен орналасуымен түсіндіріледі. Кристалдар жазық қырлармен шектелген. Ол қырлар қилысып әрбір кристалға тән бұрыштарды береді. Кристалдарды жарып бұзғанда, ол дәнекер жазықты ғы деп ойлайтын белгілі бір жазықтықпен жүреді.
Көптеген кристалдар жылуды және электр тоғын әртүрлі бағыттарда түріне өткізеді. Кристалдардың оптикалық қасиеттері де бағыттқа тәуелді. Мысалы кварц кристалы оған түсетін сәуленің бағытына қарай жарықты түрікше сындырады.
Физикалық қасиеттердің кристал ішіндегі бағыттарға тәуелділігі анизатропия деп аталады. Кристал денелер анизатропты.
- Монокристалдар және поликристалдар.
Егер дене бір кристалдан тұрса,оны монокристал деп атайды. Кей бір менералдардың монокристалдары табиғатта табиғи күйінде кездеседі. Металдардың құрылымы кристалдық болып келеді. Сондықтанда, қазіргі кезде еңбек құралдарын түрлі машиналар мен механизмдерді жасау үшін негізінен металдар пайдаланады.
Егер едәуір бір металл кесетін алсақ, онда оның физикалық қасиеттерінен бірден көзге түсіп білінбейді. Әдеттегі күйде металдарда аназитропия байқалмайды.
Бұл жерде мәселе, кәдімгі металл бір-бірімен тұтасып біріскен өте көп ұсақ кристалдардан тұратынында болып отыр. Металдың әсіресе, жұқасынған жерін микраскоп немесе тіпті лупа арқылы қарап, оларды көру қиынға соқпайды. Әр түрлі бағытқа қарай кристалдың қасиеттері түрліше болады, бірақ бұл майда кристалдар бір-біріне қатысты бейбірекет бағдарланған. Оның нәтижесінде жеке бір кристалдың көлеміне қарағанда анағұрлым үлкен көлемдегі металдың ішіндегі барлық бағыттар тең түседі де, олардың қасиеттері барлық бағыт бойынша бірдей болады.
Ұсақ кристалдарды бір-біріне жабысып орналасқандықтан поликристалдық денелердің физикалық қасиеттері барлық бағытқа бірдей болады.
Кристалдарының тәртіппен орналасуы дұрыс, геометриялық кеністіктік тордың түйіндеріндеорналасуына болады. Кристалдың өзі құрылымдық элементтің үш әр түрлі бағыт бойынша, көп ретті қайталануынан алынады.
Ол құрылымдық элементті элементтар кристалдық ұя деп атайды.
Аса мұқияттылықты сақтай отырып өлшемі үлкен металл кристалын монокристалды өсіріп алуға болады. Әеттегі жағдайларда поликристалл денелердің түзілу себебі – көптеген кристалдардың өсуі. Олар бір-біріне жақындап, тиіскен кезіне дейін жалғаса береді де, осының нәтижесінде біртұтас дене түзіледі
Поликристалл денелерге металдар ғана жатпайды. Мысалы, кесек қанттың да құрылымы поликристалл болады.
Кристалл денелердің көпшілігі өзара бітіскен көптеген кристалдардан түзілгендәіктен поликристалдарға жатады. Жеке кристалдар – монокристалдардан геометриялық пішіндері дұрыс және олардың әр бағыттағы қасиеттері де әртүрлі болады.
- Аморф денелер.
Қатты денелердің барлығын кристалл денелерге жатқызуға болмайды. Көптеген аморф денелер бар.
Аморф денелерде атомдардың дәлме-дәл ретті орналасыу жоқ. Тек жақын көрші атомдар тері белгілі бір ретпен орналасады. Бірақ кристалдарға тән құрылымның қандай да бір элементінің барлық бағытта дәлме-дәл қайталануы аморф денелерде болмайды.
Көпшілік жағдайда бір заттың өзі кристалдық күйде де, аморф күйде де бола алады. Мысалы, кварц Si O2 кристалды түрде және аморфты түрде бола алады. Кварцтың кристалдық түрін бұрыс алты бұрыштарлан тұратын тор деп қарастыруға болады. Кварцтың аморфты құрамы да тор тәрізді, бірақ дұрыс пішінде емес. Онда алтыбұрыштармен қатар, бесбұрыштар және жетібұрыштар кездеседі.
- Аморф денелердің қасиеті.
Барлық аморф денелер изотропты, олардың физикалық қасиеттері барлық бағыты бірдей. Аморф денелерге шыны, көптеген пластмассалар, смола, қант мұздығы (мөлдір кәмпит) т.б жатады.
Сырттан әсер еткенде аморф денелерде қатты денелердегі сияқты серпінділік қасиеті және сұйықтағы сияқты аққыштық қасиеті де бір мезгілде байқалады. Қысқа мерзімді әсерлер де (соққанда) олар қатты денелерге ұқсайды, ол қатты соққанда кесектерге жарылады. Бірақ өте ұзақ әсер еткенде аморф денелер ағады. Бұған ұзағырақ уақыт бақылау нәтижесінде көз жеткізуге болады. Қатты орында жатқан бір кесек смоланы бақыландар. Смола бірте-бірте қатты дене бетіне жайылады смоланың температурасы неғұрлым жоғары болса оның жайылуы анағұрлым тез болады.
Аморф денелердің атомдарының не молекулаларының отырығшылық өмірінің сұйық малекулалары сияқты белгілі бір уақыты тепе-теңдік қалпының төнірегінде тербелу уақыты бар. Бірақ сұйықтарға қарағанда бұл уақыт оларда мейлінше көп. Мысалы, бор үшін t=20oC-ге сәйкес “отырықшылық өмірінің” уақыты 0,1С –қа тең.
Бұл жағына қарағанда аморф денелер кристалл денелерге жақын, себебі атомдардың бір тепе-тендік қалыптан екінші тепе-тендік қалыпқа секіріп өтуі сирек болып отыр.
Төменгі температураларда аморф денелер қасиеттері жағынан қатты денелерге ұқсайды. Олардың аққыштығы жоқтың қасы. Бірақ температура жоғарлаған сайын біртіндеп жұмсара бастайды да, олардың қасиеттері бірте-бірте сұйықтардың қасиеттеріне көбірек жақындай түседі. Бұлай болу себебі температураның артуына қарай атомдардың бір тепе-теңдік қалыптан екіншіге секіру жиелене түседі. Кристалл денелерден аморф денелердің ерекшелігі – оларда белгілі балқу температурасы жоқ.
- Қатты денелер физикасы.
Адамзат қатты денелерді қашанда пайдаланған және болашақта да пайдаланбақ. Егер бұрын қатты дене физикасы тікелей тәжірбиеге негізделген технологияның дамуына ілесе алмаған болса, енді жағдай өзгереді. Теориялық зерттеулер қасиеттері тіпті ерекше “сынау және қателесу” әдісімен ешбір алуға болмайтын қатты денелерді жасаудың мүмкіндігін бере бастады. Ілгеріде сөз болатын транзистор сияқты қондырғылардық өмірге келуі бұкіл радиотехникадағы бет – бұрыс, қатты денелер құрылымын түсіне білудік айқын. Мысалы:
Алдын –ала өзімізге қажетті механикалық, магниттік, электорлық т.б. қасиеттерге ие металдарды жасау қазіргі қатты дене физикасының бірден-бір негізгі бағыты. Шамамен алынғанда дүние жүзі физиктерінің жартысы қатты дене физика саласында еңбек етеді.
Аморф денелер – кристалл қатты денелер мен сұйықтардың арасында аралық орын алады. Олардың атомдары мен молекулалары салыстырмалы ретте орналасқан. Қатты денелердің құрылымын жете түсіну өзіміз қалаған қасиеті бар металдарды жасау мүмкіндігін береді .
- Қатты денелерде болатын деформация түрлері.
Қатты денелер өздерінің пішінін сақтайды бірақ олар өздеріне түсірілген күштердің әсерінен пішіндерін өзгертеді, яғни деформацияланады.
Дене пішінін немесе көлемінің өзгеруі: деформация деп аталады. Резеңке бауды ұштарынан тартып көріндер. Сонда баудың бөліктері бір-біріне қатысты орын ауыстырады; бау деформацияланған күйге көшеді, яғни бау ұзарады және жіңішкереді.
Резеңке бауға күш әсері тоқтатылса, ол қайтадан бастапқы қалпына келеді. Сыртқы күштер әсері тоқталғанан кейін толық жойылатын деформациялар серпінді деформациялар деп аталады. Резеңке баудан басқа, серппе соқтығысқан болат шарлар және т.б. ларда деформацияға ұшырайды.
Енді пластит кесегін алақанымызға қысайық. Қолымыздағы пластилин оп-оңай кез-келген пішінге келеді. Ал пластилиннің бастапқы пішінге келуі жүзеге аспайтыны өзінен-өзі түсінікті. Бұрын қандай пішінде долғаны пластилиннің сеінде де жоқ.
Сыртқы күштердің әсері тоқтағанан кейін жойылмайтын деформациялар пластикалық деп аталады. Тіпті бір шамалы әсерлердің өзінде балауыз , пластилин , балшық, қорғасын пластикалық деформацияға ұшырайды.
- Созылу деформациясы (сығылу).
Егер бір ұшы бекітілген біртекті стержінге оңың осьі бойымен, өзімен тысқары бағытта F күшімен әсер етсе, онда стержн созылу деформациясына ұшырайды .
Трос, арқан көтеру құрылғыларындағы шынжыр, вагондар арасындағы тіркеме т.б. Созылу деформациясына ұшырайды. Аз ғана созылуға ұшырайды. Бұл жағдайда салыстырмалы деформация теріс таңбалы E<0
Үйлердің бағаналары , қабырғалары, іргетасы т.б. сығылу деформациясына ұшырайды.
Соғылғанда немесе сығылғанда дененің көлденен қимасының ауданы өзгереді. Мұны алдын-ала металл сақина кигізілген резеңке түтікті созу арқылы байқауға болады . Түтікті қаттырақ созғанда сақина тұсіп қалады. Сыққанда, керісінше дененің көлденен қимасының ауданы артады.
Ығысу деформация. Бетіне горизонталь және вертикаль сызықтар жүргізілген резеңке білеушені алып үстелге бекітейік. Білеушенің үстіне білте тақтай бекітіп, оған горизанталь бағытта күш түсірейік.
Дене қабаттарының бір-біріне қатысты ығысуына байланысты деформацияның осындай түрі ығысу деформациясы делінеді.
Ығысу деформациясын өзара серппелер арқылы жалғастырылған параллель пластиналар қатарынан тұратын қатты дене моделі арқылы көрнекті түрде көрсетуге болады. Горизонталь күш, дене көлемін өзгертпей, пластиналары бір-юіріне қатысты ығыстырады. Ығысу деформациясы кезінде нақты қатты денелердің көлемі де өзгермейді.
Тіреу нүктелерде барлық бөренелер, детальдарды бекітіп ұстап тұратын тойтарма шегелер мен бұрандалар т.б. ығысу деформациясына ұшырйды. Үлкен бұрыштарға ығысу дененің қирап сынуына – қиылып түсуіне соқтыруы мумкін. Қиып тұсуіне соқтыруы мүмкін. Қиып түсу жұмыстары қайшы, қашау, кескіш, жұмыстары қайшы, қашау, кескіш, арамен жұмыс істеу кезінде орындалады.
Деформацияның күрделірек түрлеріне иілу және бұрау жатады. Мысалы, үк салынған бөрене иілуге ұшырайды. Болттарды бұрағанда машина біліктері, бұрғылар айналғанда және т.б. бұрау орын алады. Бұл деформациялардың нәтижесі созылу немесе сығылу және ығысу процестеріне келтіреді.
9) Қаты денелердің механикалық қасиеттері.
Салынған үй материалдарының қасиеттерін білмей –ақ, ол үйде өмір сүре беруге болады. Бірақ сенімді берік үйлерді, көпірлерді салу үшін, станоктарды, түрлі машиналаларды тасу үшін оларға пайдаланылатын материалдардың – бетонның, пластмассаның т.б. – лардың қасиеттерін білу қажет.
Деформацияланған дененің кез-келген қимасында ұзіліп, бөліктерге бөлініп кетпеуі үшін кедергі жасайтын серпінділік күші әсер етеді. Кернеу немесе дәлірек айтқанда, механикалық кернеу деп F серпінділік күші модулінің дененің көлденең қимасының S ауданына қатынасын айтамыз;
Гук заңы. Шамалы деформацияларда кернеу О салыстырмалы ұзару Е-ге тура пропорционал екенін тәжірибе көрсетті. Бұл тәуелділік Гук заңы деп аталады. Гук заңына енген пропорционалдық кооэфициент Е серпінділік модулі немесе Юнг модулі делінеді.
Пропорционалдық пен серпінділіктің шектері. Гук заңы шамасыз аз деформациялардан демек, белгілі бір шектен артпайтын кернеулерде орындалатыны туралы біз айтқан болатынбыз. Әлі де Гук заңы орындалатын кездегі максимум кернеу пропорционалдық шек деп аталады.
Егер жүкті арттырсақ, онда деформация сызықты болмайды. Кернеу салыстырмалы ұзаруға тура пропорционал болуын тоқтатады. Әйткенмен жүкті алып тастағанан кейін аз шамалыдағы сызықты емес деформацияларды дененің пішіні мен өлшемдері іс жүзінде бұрынғы қалпына келді. Жетерліктей қалдық деформация пайда болмай тұрған кездегі максимум кернеу серпінділік шегі деп аталады. Серпінділік шегі пропорционалдық шектен процентің жүзден бір үлесіне ғана артады.
Беріктік шегі. Егер сырттай түсірілген жүктің шамасы материалдағы кернеудің серпінділік шегінен артып кетсе, онда жүкті алғаннан кейін қысқарғанмен өзінің бұрынғы өлшемдеріне жете алмайды да, деформацияланған болып қалады.
Жүктің шамасы артқан сайын деформацияда артқан үстіне арта түседі. Деформациядағы С нүктесіне сәйкес келетін кернеудің бір мәнінде іс жүзінде жүкті арттырмаса да ұзару арта түседі. Бұл құбылысты материялдың аққыштығы деп атайды. Деограммадағы бұған сәйкес қисықты горизанталь деуге болады.
Қатты дененің созылуын зерттеу Гук заңындағы қаттылық коэффициенті неге тәуелді екенін анықтауға мүмкіндік береді.
10) Пластиколық және морфтық.
Денелерді немесе материялдарды серпінді, пластикалық не морфтық атау жиі кездеседі.
Кез келген материалдан жасалған дене аз деформацияның өзінде серпінді дене сияқты болады. Жүкті алғаннан кейін оның өлшемдері пішіні қалпына келеді. Сонымен бірге денелердің барлығында дерлік азды-көпті дәрежеде пластикалық деформация байқалады.
Материялдың механикалық қасиеттері әр алуан. Резеңке немесе болат сияқты материялдар бір шама үлкен кернеумен деформацияларда серпінділік қасиеттері байқалады.
Пластикалық су балшықта пластилинде немесе қорғасында серпінді деформациялар аймағы аз шағын жүктің өзі пластикалық деформациялар тудыратын материялдарды пластикалық материялдар деп атайды.
Материялдардың серпінді және пластикалық болып бөлінуі белгілі бір дәрежеде шартты түрде алынады. Тек бір ғана материялдың өзі, онда пайда болатын кернеулерге байланысты, әрі серпінділік, әрі пластикалық қасиеттері байқалады. Бұл орасан зор күшпен қысатын престер жәрдемімен болат бұйымдарды штамтағанда кенінен қолданылады.
Салқын болатты немесе темірді балғамен соғып өндеу қиынға түседі. Бірақ күшті қыздырғаннан кейін балғамен соғу арқылы оларды кез-келген пішінге онай келтіруге болады. Егер бөлме температурасында пластикалық күйде болатын қорғасынды 100o C-тан төмен температураға дейін салқындатсақ онда ол анық байқалатын серпінділік қасиеттерге ие болады.
11) Морттық. Практикада қатты денелердің морты деп аталатын қасиетінің маңызы зор. Егер материал болмашы деформацияларда қирап болінетін болса ол материал морт деп саналады. Шыны мен фарфордан жасалғын бұйымдар морт болады. Олар тіпті шамалы биіктіктен еденге құлап түскеннің өзінде бытшыт болып сынады. Сондай ақ , шойын, мәрмәр, янтарь да жоғары морттық қасиетке ие. Керісінше, болат, мыс, қорғасын т.б. морт денелерге жатпайды.
Барлық морт материялдарда деформацияның артуымен бірге кернеу өте тез өседі де, өте аз деформациялардың өзінде олар бұзылып, қирайды. Мысалы, шойын салыстырмалы ұзаруды 0,45 болғанда қирайды. 0,45 болғанда болатты серпінділік сақталады да, 15% жеткенде ол қирауға ұшырайды.
Іс жүзінде морт материялдарда пластикалық қасиет байқалмайды.
Материялдардың серпінділігі пластикалығы және морттығының дәлірек немесе оған жуық анықтамалары беріледі. Енді сенде күнделікті кездесетін осы сөздердің мағынасын жақсы түсінетін болдыңдар.
Қысқаша қортындылау
- Қатты денелер көбінесе кристалдық күйде болады кристалл анизотропты бұл кристалдардың физикалық қасиеттерін қалап алынған бағытқа байланысты екенің көрсетеді.
- Аморф денелердің кристалл денелерден ерекшелігі – оларда атомдардың қатаң тәртіппен орналасуы қасиеттеріне қарай қатты денеге ұқсайды, ал жоғары температура да өте тұтқыр сұйық тәрізді.
- Шамалы аз деформацияларда жүкті алып тастағанда деформация жойылады. Денелер серпінділік қасиет байқатады. Серпінді деформацияларда кернеу, яғни серпінділік күші модулінің көлденең қима ауданына қатынасы Гук заңына бағынады;
Мұндағы Е=заттың серпінділік қасиеттерін сипаттайтын Юнг модулі, ал дене өлшемдерінің салыстырмалы өзгерісі.
- Жеткілікті үлкен шамадағы кернеулер мен деформацияларда қалдық деформация байқалмайтын денелер серпінді делінеді. Болмашы деформациялардың өзінде пластикалық денелер өз пішінін қалпына келтіре алмайды.
