Конфликты на атомном уровне

Все, что окружает человека в живой и неживой при­роде, представляет собой бесконечный мир конструкций, да и сам человек — наиболее совершенный их образец. Конструкции рождаются, живут — действуют и умира­ют— разрушаются. «Конструкция» — один из специфи­ческих синонимов понятия «система», т. е. ряд особым образом организованных элементов. И это прежде всего организация, структура.

Деформация, напряжение, прочность, упругость, жест­кость, изгиб, устойчивость — все эта обычные слова по­вседневной разговорной речи. Но стоит открыть любую книгу по конструированию и расчету оболочечных си­стем, и сразу можно убедиться, что они такие же при­вычные, чувствуют себя так же уютно и в специальной научно-технической литературе. Это основной, но далеко не полный перечень терминов, без которых невозможно объяснить принципы, положенные в основу науки о ме­ханике конструкций. Как тут не вспомнить слова заме­чательного французского писателя и летчика Антуана де Сент-Экзюпери: «Пытаясь охватить мир сегодняшний, мы черпаем из словаря, сложившегося в мире вчераш­нем».

Чтобы понять, как и из чего рождается совершенство оболочечных конструкций, и разобраться в особенностях их работы как силовых построений, нужно выяснить, какое конкретное содержание вкладывается в названные термины и какова их специфика в такой специальной об­ласти знаний, как механика деформируемого твердого тела.

Прочность - необходимое условие существования любого объекта реального мира. Это понятие органичнее вошло в нашу жизнь. Мы говорим о прочности куполок зданий, тоннелей, самолетов, тканей, прочности взаимоотношений и даже человеческих чувств. Например, пер­сонаж Ольги Форш в «Михайловском замке» восклица­ет: «Разве можно поверить в прочность чувств, своих ли, чужих ли?».

В универсальности понятия прочности заключается его фундаментальность как обязательного свойства всей живой и неживой материи. Прочность живых организмов формируется в борьбе за существование, т. е. в том процессе, который Дарвин назвал естественным отбором. Подсчитано, что за три миллиарда лет существования жизни на нашей планете возникло и навсегда исчезло примерно 480 миллионов различных видов животных и растений.

Прочность создаваемых человеком машин и механиз­мов, определяется уровнем наших знаний, зависящих от состояния развития науки, умения материализовать их с помощью конкретных технологий. О прочности конструкций можно заботиться по-разному.  Помните как п. В. Гоголь в «Мертвых душах» характеризует степень инженерного совершенства сооружений усадьбы Собакевича: «Помещик, казалось, хлопотал много о прочности. На конюшни, сараи и кухни были употреблены полно­весные и толстые бревна, определенные на вековое стоя­ние». Современный инженер, вооруженный научно обос­нованными методами расчетов, стремится создать конструкцию вполне конкретной прочности, гарантирующей надежность ее функционирования на весь срок службы. При этом наилучшим будет то решение, которое наиболее полно сочетает функциональное совершенство, прочность и экономичность.

Прочность любого элемента конструкции как предмета материального мира рождается на атомном уровне. Как известно, все вещества состоят из атомов и молекул. Атом — мельчайшая, частица химического элемента, а молекула — наименьшая частица вещества, обладающая его основными химическими свойствами и способная к самостоятельному существованию. Молекулы; со­стоят из одинаковых или различных, атомов. Свойства молекул определяют не только количество и, «качество» атомов, участвующих в «постройке» молекул, но и по­рядок, и конфигурация их соединения.

По структуре все твердые тела делятся на два типа. Это кристаллические тела, в которых атомы расположе­ны в кристаллической решетке с определенной периоди­ческой закономерностью. Современные конструкционные сплавы и большинство окружающих нас твердых тел, как правило, имеют такую структуру. Второй тип твер­дых тел составляют аморфные тела. Они «конструиру­ются» на основе как атомов, так и молекул. Причем ато­мы и молекулы в таких телах располагаются хаотично. Атомы и молекулы, образующие вещества, удерживают­ся вместе с помощью химических связей. Известно не­сколько типов связей, отличающихся по своим свойст­вам: ковалентная, ионная, металлическая, водородная связи и силы Ван-дер-Ваальса.

Расстояния между атомами измеряются очень малыми единицами — ангстремами, которые обозначаются А. Ангстрем равен одной стомиллионной доле сантиметра. «Кирпичики мироздания» отстоят друг от друга на расстояние, определяемое величинами порядка 1—2А.

В зависимости от этих расстояний меняются и силы взаимодействия между атомами. На определенных ди­станциях силы взаимодействия уравновешены. Находясь на больших расстояниях, атомы притягиваются друг к другу. Причем при увеличении расстояния по сравнению с равновесным силы притяжения вначале растут и в ка­кой-то момент достигают наибольшего значения, а за­тем при дальнейшем увеличении расстояния весьма быст­ро уменьшаются и становятся ничтожно малыми. При сближении атомов на дистанции меньше равновесных между ними возникают силы отталкивания. Они нара­стают довольно резко до некоторого предельного значе­ния, после которого дальнейшее сближение атомов ста­новится практически невозможным.

Если бы силы химического взаимодействия внезапно перестали существовать, то все твердые тела мгновенно рассыпались бы. С другой стороны, если бы не сущест­вовало сил отталкивания, то тела легко бы сжимались; как любой газ.

Описанный механизм взаимодействия атомов во мно­гом объясняет поведение материалов при растяжении и сжатии. Равновесное состояние соответствует ненагру­женному телу. При растяжении внешние силы стремятся увеличить расстояние между атомами, а при сжатии — уменьшить, но в обоих случаях это приводит к увеличе­нию (без учета направления действия сил) межатомных связей, т, е, к активному противодействию внешним силам.

Чтобы понять поведение твердых тел при нагружении, классифицировать возникающие изменения и установить единицы их измерения, построим силовую модель твердого тела, которая и поможет обосновать особенности его повеления.  Нетрудно догадаться,  что речь  идет о «конструкции» из атомов, соединенных между собой-«пружинками», имитирующими связи взаимодействия., Конечно, пружинки эти особые, не всем знакомые механические.