Удельная прочность

Отношение прочности к массе материала

Удельная прочность — это прочность материала (или мышцы) (сила на единицу площади при разрушении), деленная на его плотность . Оно также известно как соотношение силы к весу , соотношение силы/веса или соотношение силы к массе . В волокнах или текстиле прочность является обычной мерой удельной прочности. Единицей удельной прочности в системе СИ является Па ⋅ м ³ / кг или Н ⋅м/кг, что по размеру эквивалентно м ² /с ² , хотя последняя форма используется редко. Удельная сила имеет те же единицы, что и удельная энергия , и связана с максимальной удельной энергией вращения, которую может иметь объект, не разлетаясь на части под действием центробежной силы .

Другим способом описания удельной прочности является длина разрыва , также известная как длина самоподдержки : максимальная длина вертикальной колонны из материала (при условии фиксированного поперечного сечения), которая может удерживать собственный вес, когда поддерживается только вверху. Для этого измерения вес определяется силой тяжести на поверхности Земли ( стандартная сила тяжести , 9,80665 м/с ² ), действующей на всю длину материала и не уменьшающейся с высотой. Такое использование чаще встречается при использовании определенных специальных волокон или текстиля.

Материалами с самой высокой удельной прочностью обычно являются такие волокна, как углеродное волокно , стекловолокно и различные полимеры, которые часто используются для изготовления композиционных материалов (например, углеродное волокно-эпоксидная смола ). Эти и другие материалы, такие как титан , алюминий , магний и высокопрочные стальные сплавы , широко используются в аэрокосмической и других областях, где экономия веса оправдывает более высокую стоимость материалов.

Обратите внимание, что прочность и жесткость различны. Оба важны для проектирования эффективных и безопасных конструкций.

Расчеты длины разрыва

${\displaystyle L={\frac {T_{s}/\rho }{\mathbf {g} }}}$

где длина, предел прочности, плотность и ускорение свободного падения ( м/с ). ${\displaystyle L}$ ${\displaystyle T_{s}}$ ${\displaystyle \rho }$ ${\displaystyle \mathbf {g} }$ ${\displaystyle \approx 9.8}$ ${\displaystyle ^{2}}$

Примеры

Данные в этой таблице взяты из лучших случаев и созданы для получения приблизительных цифр.

Примечание. Многостенные углеродные нанотрубки обладают самой высокой прочностью на разрыв из всех когда-либо измеренных материалов: в лабораториях они производятся с пределом прочности 63 ГПа, ^[33] все еще значительно ниже теоретического предела в 300 ГПа. Первые веревки из нанотрубок (длиной 20 мм), прочность на разрыв которых была опубликована (в 2000 году), имели прочность 3,6 ГПа, что все еще значительно ниже их теоретического предела. ^[38] Плотность различается в зависимости от метода производства, наименьшее значение составляет 0,037 или 0,55 (твердый). ^[34]

«Юрий» и космические привязи

Международный консорциум космических лифтов использует «Юри» как название единиц СИ, описывающих удельную силу. Удельная прочность имеет фундаментальное значение при описании материалов кабелей космических лифтов . Один Юрий считается единицей СИ для предела текучести (или напряжения разрушения) на единицу плотности материала, находящегося под напряжением. Один Юрий равен 1 Па⋅м ³ /кг или 1  Н⋅м / кг , что является усилием разрыва/податливости , приходящимся на линейную плотность кабеля при растяжении. ^{[39] [40]} Функциональному земному космическому лифту потребуется трос длиной 30–80 мегаюри (что соответствует 3100–8200 км разрывной длины). ^[41]

Фундаментальный предел удельной силы

Условие нулевой энергии накладывает фундаментальный предел на удельную прочность любого материала. ^[37] Удельная прочность не должна превышать c ² ~9 × 10 ¹³  кН⋅м / кг , где c — скорость света . Этот предел достигается с помощью линий электрического и магнитного поля, трубок потока КХД и фундаментальных струн, предполагаемых теорией струн . ^{[ нужна цитата ]}

Прочность (прочность ткани)

Прочность – это общепринятая мера прочности волокна или пряжи . Обычно ее определяют как предельную (разрывную) силу волокна (в единицах грамм -силы), деленную на денье . Поскольку денье является мерой линейной плотности, прочность оказывается не мерой силы на единицу площади, а скорее квазибезразмерной мерой, аналогичной удельной прочности. ^[42] Прочность соответствует: ^{[ нужна ссылка ]} В основном прочность выражается в отчете как сН/текс. ${\displaystyle 1}$ ${\displaystyle {\frac {1{\rm {\,g}}\cdot 9.80665{\rm {\,ms^{-2}}}}{1{\rm {\,g}}/9000{\rm {\,m}}}}={\frac {9.80665{\rm {\,ms^{-2}}}}{1/9000{\rm {\,m}}}}=9.80665{\rm {\,ms^{-2}}}\,9000{\rm {\,m}}=88259.85{\rm {\,m^{2}s^{-2}}}}$

Смотрите также

• Удельный модуль
• Космический лифт
• Космический трос

Рекомендации

1. «Гомополимер ацеталя полиоксиметилена - ПОМ» . AZoM.com . 30 августа 2001 г. Архивировано из оригинала 22 июля 2020 г. Проверено 22 июля 2020 г.
2. «Полипропилен - источник онлайн-каталога - поставщик исследовательских материалов в небольших количествах - Goodfellow» . www.goodfellow.com . Архивировано из оригинала 07 августа 2018 г. Проверено 24 апреля 2017 г.
3. «Полиакрилонитрил-бутадиен-стирол - источник онлайн-каталога - поставщик исследовательских материалов в небольших количествах - Goodfellow» . www.goodfellow.com . Архивировано из оригинала 20 декабря 2018 г. Проверено 29 июля 2018 г.
4. «Полиэтилентерефталат - источник онлайн-каталога - поставщик исследовательских материалов в небольших количествах - Goodfellow» . www.goodfellow.com . Архивировано из оригинала 17 апреля 2019 г. Проверено 29 июля 2018 г.
5. «Сталь ASTM A228 (UNS K08500)» . www.matweb.com . Архивировано из оригинала 19 января 2019 г. Проверено 17 января 2019 г.
6. «Полимолочная кислота - Биополимер - источник онлайн-каталога - поставщик исследовательских материалов в небольших количествах - Goodfellow» . www.goodfellow.com . Архивировано из оригинала 29 июля 2018 г. Проверено 29 июля 2018 г.
7. «Сталь AISI 1010, холоднотянутая» . matweb.com . Архивировано из оригинала 18 апреля 2018 г. Проверено 20 октября 2015 г.
8. "Паспорт материала ASM" . asm.matweb.com . Архивировано из оригинала 01 октября 2018 г. Проверено 20 октября 2015 г.
9. "Информационный бюллетень по Марадингу корпорации SSA" . matmatch.com/learn/material/maraging-steel .
10. «Свойства медных сплавов». roymech.co.uk . Архивировано из оригинала 30 марта 2019 г. Проверено 17 апреля 2006 г.
11. «Полиамид - Нейлон 6 - источник онлайн-каталога - поставщик исследовательских материалов в небольших количествах - Goodfellow» . www.goodfellow.com . Архивировано из оригинала 17 апреля 2019 г. Проверено 24 апреля 2017 г.
12. "Паспорт материала ASM" . asm.matweb.com . Архивировано из оригинала 22 марта 2019 г. Проверено 14 ноября 2016 г.
13. "Паспорт материала ASM" . asm.matweb.com . Архивировано из оригинала 06 апреля 2019 г. Проверено 18 августа 2016 г.
14. "Паспорт материала ASM" . asm.matweb.com . Архивировано из оригинала 15 марта 2012 г. Проверено 18 августа 2016 г.
15. "Паспорт материала ASM" . asm.matweb.com . Архивировано из оригинала 22 октября 2018 г. Проверено 18 августа 2016 г.
16. «Экологические данные: дубовая древесина» . Архивировано из оригинала 9 октября 2007 года . Проверено 17 апреля 2006 г.{{cite web}}: CS1 maint: bot: исходный статус URL неизвестен ( ссылка )
17. "Паспорт материала ASM" . asm.matweb.com . Архивировано из оригинала 4 октября 2018 г. Проверено 20 октября 2015 г.
18. «eFunda: Типичные свойства магниевых сплавов». www.efunda.com . Архивировано из оригинала 30 января 2020 г. Проверено 01 октября 2021 г.
19. "Паспорт материала ASM" . asm.matweb.com . Архивировано из оригинала 16 октября 2018 г. Проверено 20 октября 2015 г.
20. "Американский восточный лес белой сосны" . www.matweb.com . Архивировано из оригинала 08.12.2019 . Проверено 8 декабря 2019 г.
21. "Информационный листок материалов AZo" . azom.com . 11 февраля 2003 г. Архивировано из оригинала 23 июня 2017 г. Проверено 14 ноября 2016 г.
22. 52-я лекция памяти Хэтфилда: «Большие куски очень прочной стали», HKDH Бхадешиа, 2005 г., на archive.is
23. «MatWeb - информационный ресурс онлайн-материалов» . matweb.com . Архивировано из оригинала 02 апреля 2015 г. Проверено 29 июня 2009 г.
24. ЭНЦИКЛОПЕДИЯ НАУКИ И ТЕХНОЛОГИЙ McGRAW-HILL, 8-е издание, (c) 1997, том. 1 стр 375
25. «Специальные материалы, Inc. Волокна карбида кремния SCS» . Архивировано из оригинала 4 апреля 2018 г. Проверено 17 апреля 2006 г.
26. NanoComp Technologies Inc. "Miralon Yarn" (PDF) . Архивировано (PDF) из оригинала 20 декабря 2018 г. Проверено 19 декабря 2018 г.
27. "Вектран". Vectran Fiber, Inc. Архивировано из оригинала 8 июля 2019 г. Проверено 12 июня 2017 г.
28. "RWcarbon.com - Источник аэрозапчастей из углеродного волокна для BMW и Mercedes" . rwcarbon.com . Архивировано из оригинала 3 мая 2019 г. Проверено 01 октября 2021 г.
29. «Сетевая группа по композитам в строительстве: Введение в полимерные композиты, армированные волокном» . Архивировано из оригинала 18 января 2006 года . Проверено 17 апреля 2006 г.{{cite web}}: CS1 maint: bot: исходный статус URL неизвестен ( ссылка )
30. "Информационный бюллетень о Dyneema" . ДСМ. 1 января 2008 г. Архивировано из оригинала 8 августа 2019 г. . Проверено 23 мая 2016 г.
31. Toyobo Co., Ltd. «ザイロン®(PBO 繊維)技術資料 (2005)» (PDF) . Архивировано из оригинала (скачать бесплатно в формате PDF) 26 апреля 2012 г.
32. Toray Composites Materials America, Co., Ltd. «T1100S, УГЛЕРОДНОЕ ВОЛОКНО СРЕДНЕГО МОДУЛЯ» (скачать бесплатно в формате PDF) . Архивировано (PDF) из оригинала 13 июля 2021 г. Проверено 29 июня 2021 г.{{cite web}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
33. Ю, Мин-Фэн; Лурье, Олег; Дайер, Марк Дж.; Молони, Катерина; Келли, Томас Ф.; Руофф, Родни С. (28 января 2000 г.). «Прочность и механизм разрушения многостенных углеродных нанотрубок под действием растягивающей нагрузки» (PDF) . Наука . 287 (5453): 637–640. Бибкод : 2000Sci...287..637Y. дои : 10.1126/science.287.5453.637. PMID  10649994. S2CID  10758240. Архивировано из оригинала (PDF) 4 марта 2011 года.
34. К.Хата (2007). «От высокоэффективного синтеза УНТ без примесей до лесов ДУНТ, твердых тел УНТ и суперконденсаторов» (PDF) . В Разеги, Мание; Браун, Гейл Дж. (ред.). От высокоэффективного синтеза УНТ без примесей до лесов ДУНТ, твердых частиц УНТ и суперконденсаторов . Квантовые сенсоры и нанофотонные устройства IV. Том. 6479. стр. 64791Л. дои : 10.1117/12.716279. S2CID  136421231. Архивировано из оригинала 14 декабря 2014 г. Проверено 2 декабря 2009 г.{{cite book}}: CS1 maint: unfit URL (link)
35. Пэн, Х.; Чен, Д.; и др., Хуан Цзюй; и другие. (2008). «Прочные и пластичные колоссальные углеродные трубки со стенками из прямоугольных макропор». Физ. Преподобный Летт . 101 (14): 145501. Бибкод : 2008PhRvL.101n5501P. doi : 10.1103/PhysRevLett.101.145501. ПМИД  18851539.
36. «Лауреаты Нобелевской премии по физике 2010 года» (PDF) . nobelprize.org. Архивировано (PDF) из оригинала 1 июля 2018 г. Проверено 28 марта 2019 г.
37. Браун, Адам Р. (2013). «Прочность на разрыв и добыча черных дыр». Письма о физических отзывах . 111 (21): 211301. arXiv : 1207.3342 . Бибкод : 2013PhRvL.111u1301B. doi : 10.1103/PhysRevLett.111.211301. PMID  24313473. S2CID  16394667.
38. Ли, Ф.; Ченг, HM; Бай, С.; Су, Г.; Дрессельхаус, MS (2000). «Прочность на растяжение одностенных углеродных нанотрубок, измеренная непосредственно по их макроскопическим веревкам». Письма по прикладной физике . 77 (20): 3161–3163. Бибкод : 2000ApPhL..77.3161L. дои : 10.1063/1.1324984 .
39. «Вызов Strong Tether 2013» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 14 января 2016 г.
40. «Терминология». isec.org . Архивировано из оригинала 27 мая 2012 г.
41. «Особая сила Юриса». keithcu.com . Архивировано из оригинала 09 февраля 2019 г. Проверено 2 июня 2012 г.
42. Родригес, Фердинанд (1989). Принципы полимерных систем (3-е изд.). Нью-Йорк: Издательство Hemisphere Publishing. п. 282. ИСБН 9780891161769. ОКЛК  19122722.

Внешние ссылки

• Удельная жесткость - Таблица удельной прочности, Кембриджский университет, инженерный факультет.