Удельная прочность

Отношение прочности к массе материала

Удельная прочность — это прочность материала (или мышцы) (сила на единицу площади при разрыве), деленная на его плотность . Она также известна как отношение прочности к весу или отношение прочности к весу или отношение прочности к массе . В волоконных или текстильных приложениях разрывная прочность является обычной мерой удельной прочности. Единицей СИ для удельной прочности является Па ⋅ м ³ / кг или Н ⋅м/кг, что размерно эквивалентно м ² /с ² , хотя последняя форма используется редко. Удельная прочность имеет те же единицы, что и удельная энергия , и связана с максимальной удельной энергией вращения, которую объект может иметь, не разлетевшись из-за центробежной силы .

Другой способ описания удельной прочности — это разрывная длина , также известная как длина самоподдержки : максимальная длина вертикального столба материала (предполагая фиксированное поперечное сечение), который может удерживать свой собственный вес, когда поддерживается только сверху. Для этого измерения определение веса — это сила тяжести на поверхности Земли ( стандартная сила тяжести , 9,80665 м/с2 ⁾ , применяемая по всей длине материала, не уменьшающаяся с высотой. Такое использование более распространено в определенных специальных волокнах или текстильных приложениях.

Материалы с самой высокой удельной прочностью — это, как правило, волокна, такие как углеродное волокно , стекловолокно и различные полимеры, и они часто используются для изготовления композитных материалов (например, углеродное волокно-эпоксидная смола ). Эти материалы и другие, такие как титан , алюминий , магний и высокопрочные стальные сплавы, широко используются в аэрокосмической промышленности и других областях, где экономия веса оправдывает более высокую стоимость материала.

Обратите внимание, что прочность и жесткость — это разные понятия. Оба важны для проектирования эффективных и безопасных конструкций.

Расчеты разрывной длины

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

где - длина, - прочность на разрыв, - 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 этой таблицы получены из лучших случаев и предназначены для приблизительного расчета.

Примечание: Многослойные углеродные нанотрубки имеют самую высокую прочность на разрыв среди всех когда-либо измеренных материалов, при этом в лабораториях их прочность на разрыв составляет 63 ГПа, ^[36] что все еще значительно ниже их теоретического предела в 300 ГПа. Первые канаты 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. ^[41] Плотность различается в зависимости от метода производства, и самое низкое значение составляет 0,037 или 0,55 (твердое тело). ^[37]

«Юрий» и космические тросы

Международный консорциум по космическим лифтам использует «Юри» в качестве названия единиц СИ, описывающих удельную прочность. Удельная прочность имеет основополагающее значение в описании материалов тросов космических лифтов . Один Юри задуман как единица СИ для предела текучести (или разрушающего напряжения) на единицу плотности материала при растяжении. Один Юри равен 1 Па⋅м3 ^/ кг или 1  Н⋅м / кг , что является разрывным усилием/ силой текучести на линейную плотность троса при растяжении. ^{[42] [43]} Для функционального земного космического лифта потребуется трос в 30–80 мегаЮри (что соответствует 3100–8200 км разрывной длины). [ ^44]

Фундаментальный предел удельной прочности

Условие нулевой энергии накладывает фундаментальное ограничение на удельную прочность любого материала. ^[40] Удельная прочность ограничена не более чем c ² ≈9 × 10 ¹³  кН ⋅ м / кг , где с — скорость света . Этот предел достигается электрическими и магнитными линиями поля , потоковыми трубками КХД и фундаментальными струнами , предполагаемыми теорией струн . ^{[ необходима ссылка ]}

Прочность (прочность ткани)

Удельная прочность — общепринятая мера прочности волокна или пряжи . Обычно она определяется как предельная (разрывная) сила волокна (в единицах грамм -силы), деленная на денье . Поскольку денье — это мера линейной плотности, удельная прочность оказывается не мерой силы на единицу площади, а скорее квазибезразмерной мерой, аналогичной удельной прочности. ^[45] Удельная прочность соответствует: ^{[ необходима цитата ]} В основном удельная 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

Ссылки

1. "Ацеталь полиоксиметилен гомополимер - POM". AZoM.com . 30 августа 2001 г. Архивировано из оригинала 22 июля 2020 г. Получено 22 июля 2020 г.
2. "Полипропилен - источник онлайн-каталога - поставщик исследовательских материалов в небольших количествах - Goodfellow". www.goodfellow.com . Архивировано из оригинала 2018-08-07 . Получено 2017-04-24 .
3. "Полиакрилонитрил-бутадиен-стирол - источник онлайн-каталога - поставщик исследовательских материалов в малых количествах - Goodfellow". www.goodfellow.com . Архивировано из оригинала 20-12-2018 . Получено 29-07-2018 .
4. "Полиэтилентерефталат - источник онлайн-каталога - поставщик исследовательских материалов в небольших количествах - Goodfellow". www.goodfellow.com . Архивировано из оригинала 2019-04-17 . Получено 2018-07-29 .
5. "ASTM A228 Steel (UNS K08500)". www.matweb.com . Архивировано из оригинала 2019-01-19 . Получено 2019-01-17 .
6. "Полимолочная кислота - Биополимер - источник онлайн-каталога - поставщик исследовательских материалов в малых количествах - Goodfellow". www.goodfellow.com . Архивировано из оригинала 2018-07-29 . Получено 2018-07-29 .
7. "AISI 1010 Steel, cold drawing". matweb.com . Архивировано из оригинала 2018-04-18 . Получено 2015-10-20 .
8. "ASM Material Data Sheet". asm.matweb.com . Архивировано из оригинала 2018-10-01 . Получено 2015-10-20 .
9. "Паспорт мартенситности корпорации SSA". matmatch.com/learn/material/maraging-steel .
10. "Свойства медных сплавов". roymech.co.uk . Архивировано из оригинала 2019-03-30 . Получено 2006-04-17 .
11. "Полиамид - Нейлон 6 - источник онлайн-каталога - поставщик исследовательских материалов в небольших количествах - Goodfellow". www.goodfellow.com . Архивировано из оригинала 2019-04-17 . Получено 2017-04-24 .
12. "ASM Material Data Sheet". asm.matweb.com . Архивировано из оригинала 2019-03-22 . Получено 2016-11-14 .
13. "ASM Material Data Sheet". asm.matweb.com . Архивировано из оригинала 2019-04-06 . Получено 2016-08-18 .
14. "ASM Material Data Sheet". asm.matweb.com . Архивировано из оригинала 2012-03-15 . Получено 2016-08-18 .
15. "ASM Material Data Sheet". asm.matweb.com . Архивировано из оригинала 2018-10-22 . Получено 2016-08-18 .
16. "Экологические данные: Дубовая древесина". Архивировано из оригинала 9 октября 2007 года . Получено 2006-04-17 .{{cite web}}: CS1 maint: бот: исходный статус URL неизвестен ( ссылка )
17. "ASM Material Data Sheet". asm.matweb.com . Архивировано из оригинала 2018-10-04 . Получено 2015-10-20 .
18. "eFunda: Типичные свойства магниевых сплавов". www.efunda.com . Архивировано из оригинала 2020-01-30 . Получено 2021-10-01 .
19. "ASM Material Data Sheet". asm.matweb.com . Архивировано из оригинала 2018-10-16 . Получено 2015-10-20 .
20. "American Eastern White Pine Wood". www.matweb.com . Архивировано из оригинала 2019-12-08 . Получено 2019-12-08 .
21. "AZo Materials Data Sheet". azom.com . 11 февраля 2003 г. Архивировано из оригинала 2017-06-23 . Получено 2016-11-14 .
22. 52nd Hatfield Memorial Lecture: «Большие куски очень прочной стали» HKDH Bhadeshia 2005. на archive.is
23. "Игрушечные блоки создают легкие, прочные конструкции". 2013-08-16 . Получено 2024-03-21 .
24. Шедлер, Тобиас А.; Якобсен, Алан Дж.; Картер, Уильям Б. (13.09.2013). «К более легким и жестким материалам». Science . 341 (6151): 1181–1182. Bibcode :2013Sci...341.1181S. doi :10.1126/science.1243996. ISSN  0036-8075. PMID  24031005.
25. Крывко, Яцек (2024-02-08). "Строительство роботов для исследования космоса с "нулевой массой"". Ars Technica . Получено 2024-03-21 .
26. "MatWeb – Информационный ресурс онлайн-материалов". matweb.com . Архивировано из оригинала 2015-04-02 . Получено 2009-06-29 .
27. McGRAW-HILL ENCYCLOPEDIA OF Science & Technology, 8-е издание, (c)1997, т. 1, стр. 375
28. "Specialty Materials, Inc SCS Silicon Carbide Fibers". Архивировано из оригинала 2018-04-04 . Получено 2006-04-17 .
29. NanoComp Technologies Inc. "Miralon Yarn" (PDF) . Архивировано (PDF) из оригинала 2018-12-20 . Получено 19-12-2018 .
30. "Vectran". Vectran Fiber, Inc. Архивировано из оригинала 2019-07-08 . Получено 2017-06-12 .
31. "RWcarbon.com – Источник аэродинамических деталей из углеродного волокна для BMW и Mercedes". rwcarbon.com . Архивировано из оригинала 2019-05-03 . Получено 2021-10-01 .
32. "Сетевая группа по композитам в строительстве: Введение в армированные волокнами полимерные композиты". Архивировано из оригинала 18 января 2006 года . Получено 2006-04-17 .{{cite web}}: CS1 maint: бот: исходный статус URL неизвестен ( ссылка )
33. "Dyneema Fact sheet". DSM. 1 января 2008 г. Архивировано из оригинала 8 августа 2019 г. Получено 23 мая 2016 г.
34. 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.
35. Toray Composites Materials America, Co., Ltd. "T1100S, INTERMEDIATE MODULUS CARBON FIBER" (бесплатная загрузка PDF) . Архивировано (PDF) из оригинала 2021-07-13 . Получено 2021-06-29 .{{cite web}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
36. Yu, Min-Feng; Lourie, Олег; Dyer, Марк Дж.; Moloni, Катерина; Kelly, Томас Ф.; Ruoff, Родни С. (28 января 2000 г.). "Strength and Breaking Mechanism of Multiwalled Carbon Nanotubes Under Tensile Load" (PDF) . Science . 287 (5453): 637–640. Bibcode :2000Sci...287..637Y. doi :10.1126/science.287.5453.637. PMID  10649994. S2CID  10758240. Архивировано из оригинала (PDF) 4 марта 2011 г.
37. K.Hata (2007). "От высокоэффективного синтеза УНТ без примесей к лесам DWNT, твердым УНТ и суперконденсаторам" (PDF) . В Razeghi, Manijeh; Brown, Gail J (ред.). От высокоэффективного синтеза УНТ без примесей к лесам DWNT, твердым УНТ и суперконденсаторам . Quantum Sensing and Nanophotonic Devices IV. Vol. 6479. pp. 64791L. doi :10.1117/12.716279. S2CID  136421231. Архивировано из оригинала 2014-12-14 . Получено 2009-12-02 .{{cite book}}: CS1 maint: unfit URL (link)
38. Peng, H.; Chen, D.; et al., Huang JY; et al. (2008). «Прочные и пластичные колоссальные углеродные трубки со стенками из прямоугольных макропор». Phys. Rev. Lett . 101 (14): 145501. Bibcode : 2008PhRvL.101n5501P. doi : 10.1103/PhysRevLett.101.145501. PMID  18851539.
39. "Лауреаты Нобелевской премии по физике 2010 года" (PDF) . nobelprize.org. Архивировано (PDF) из оригинала 2018-07-01 . Получено 2019-03-28 .
40. Brown, Adam R. (2013). «Прочность на растяжение и добыча черных дыр». Physical Review Letters . 111 (21): 211301. arXiv : 1207.3342 . Bibcode : 2013PhRvL.111u1301B. doi : 10.1103/PhysRevLett.111.211301. PMID  24313473. S2CID  16394667.
41. Ли, Ф.; Ченг, Х. М.; Бай, С.; Су, Г.; Дрессельхаус, М. С. (2000). «Прочность на разрыв однослойных углеродных нанотрубок, непосредственно измеренная по их макроскопическим канатам». Applied Physics Letters . 77 (20): 3161–3163. Bibcode :2000ApPhL..77.3161L. doi : 10.1063/1.1324984 .
42. "Strong Tether Challenge 2013" (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 2016-01-14.
43. "Терминология". isec.org . Архивировано из оригинала 2012-05-27.
44. "Specific Strength in Yuris". keithcu.com . Архивировано из оригинала 2019-02-09 . Получено 2012-06-02 .
45. Родригес, Фердинанд (1989). Принципы полимерных систем (3-е изд.). Нью-Йорк: Hemisphere Publishing. стр. 282. ISBN 9780891161769. OCLC  19122722.

Внешние ссылки

• Удельная жесткость - Таблица удельной прочности, Кембриджский университет, Инженерный факультет