Механические свойства твердых тел

Твердое тело – это одно из четырех агрегатных состояний вещества, отличающееся от других агрегатных состояний (жидкости, газов, плазмы) стабильностью формы и характером теплового движения атомов, совершающих малые колебания около положений равновесия.

Различают кристаллические и аморфные твердые тела. Раздел физики, изучающий состав и внутреннюю структуру твердых тел, называется физикой твердого тела. То, как твердое тело меняет форму при воздействиях и движении, изучается отдельной дисциплиной – механикой твердого (деформируемого) тела. Движением абсолютно твердого тела занимается третья наука – кинематика твердого тела.

Технические приспособления, созданные человеком, используют различные свойства твердого тела. В прошлом твердое тело применялось как конструкционный материал и в основе употребления лежали непосредственно ощутимые механические свойства – твердость, масса, пластичность, упругость, хрупкость. В современном мире применение твердого тела основывается на физических свойствах, которые зачастую обнаруживаются только при лабораторных исследованиях.

Твердые тела могут быть в кристаллическом и аморфном состоянии. Кристаллы характеризуются пространственною периодичностью в расположении равновесных положений атомов, которая достигается наличием дальнего порядка и носит название кристаллической решетки. Естественная форма кристаллов – правильные многогранники. В аморфных телах атомы колеблются вокруг хаотически расположенных точек, у них отсутствует дальний порядок, но сохраняется ближний, при котором молекулы расположены согласованно на расстоянии, сравнимом с их размерами.

• Атомы и молекулы, составляющие твердое тело, плотно упакованы вместе. Другими словами, молекулы твердого тела практически сохраняют свое взаимное положение относительно других молекул и удерживаются между собой межмолекулярным взаимодействием.
• Многие твердые тела содержат в себе кристаллические структуры. В минералогии и кристаллографии под кристаллической структурой подразумевается определенный порядок атомов в кристалле. Кристаллическая структура состоит из элементарных ячеек, набора атомов, расположенных в особенном порядке, который периодически повторяется во всех направлениях пространственной решетки. Расстояния между элементами этой решетки в различных направлениях называют параметром этой решетки. Кристаллическая структура и симметричность играют роль в определении множества свойств, таких как спайность кристалла, электронная зонная структура и оптические свойства.
• При применении достаточной силы любое из этих свойств может быть нарушено, вызывая остаточную деформацию.
• Твердые тела обладают тепловой энергией, следовательно, их атомы совершают колебательное движение. Тем не менее это движение незначительно и не может наблюдаться или быть почувствованным при нормальных условиях.

В покое твердые тела сохраняют форму, но деформируются под воздействием внешних сил. В зависимости от величины приложенной силы деформация может быть упругой, пластической или разрушительной. При упругой деформации тело возвращает себе первоначальную форму после снятия приложенных сил. Отзыв твердого тела на прилагаемое усилие описывается модулями упругости. Отличительной особенностью твердого тела по сравнению с жидкостями и газами является то, что оно сопротивляется не только растяжению и сжатию, а также сдвигу, изгибу и кручению. При пластической деформации начальная форма не сохраняется. Характер деформации зависит также от времени, в течение которого действует внешняя сила. Твердое тело может деформироваться упруго при мгновенном действии, но пластически, если внешние силы действуют длительное время. Такое поведение называется ползучестью. Одной из характеристик деформации является твердость тела – способность сопротивляться проникновению в него других тел.

Каждое твердое тело имеет присущий ему порог деформации, после которой наступает разрушение. Свойство твердого тела сопротивляться разрушению характеризуется прочностью. При разрушении в твердом теле появляются и распространяются трещины, которые в конце концов приводят к разлому.

К механическим свойствам твердого тела принадлежит также его способность проводить звук, который является волной, переносящей локальную деформацию с одного места в другое. В отличие от жидкостей и газов, в твердом теле могут распространяться не только продольные звуковые волны, но и поперечные, что связано с сопротивлением твердого тела деформации сдвига. Скорость звука в твердых телах в целом выше, чем в газах, в частности в воздухе, поскольку межатомное взаимодействие гораздо сильнее. Скорость звука в кристаллических твердых телах характеризуется анизотропией, то есть зависимости от направления распространения.