Воздействие давления. Давление и гравитация

Давление изменяется в очень широких пределах - от сверхвысокого вакуума (низкое давление) до очень высокого значения. Эти изменения иногда заметно сказываются на свойствах различных материалов.

Вещество существует в трех состояниях: твердом, жидком и газообразном, и в каждом из этих состояний оно сжимаемо по-разному. Идеальные газы сжимаемы почти в любой степени и при нормальном давлении подчиняются закону Бойля-Мариотта (согласно которому давление газа изменяется обратно пропорционально его объему). Жидкости, напротив, сжимаются значительно труднее, и изменения их объема, вызванные давлением, не подчиняются простому закону.

Давление, испытываемое большими конструкциями, подобными этому мосту через реку Северн (А), измеряют прибором, определяющим электрическое Напряжение (Б). Действие его основано на свойстве(впервые замеченном Кельвином в 1856 г.) проводника изменять электрическое сопротивление при растяжении. Этот принцип впервые был практически применен в США в 1938 г., и теперь такой прибор широко используется для анализа нагрузок. Прибор имеет сетку из тонкой металлической проволоки, нанесенной на тонкую основу (обычно решетку из металлической проволоки получают штамповкой на фольге, В). Прибор присоединяют к поверхности конструкции и измеряют изменяющееся сопротивление проволоки; запись производится автоматически.

Твердые тела наименее сжимаемы. Их строгая внутренняя структура, в которой атомы удерживаются на определенных расстояниях очень большими силами, оказывает наибольшее сопротивление внешнему давлению. При достаточно высоких давлениях эта структура может исказиться или разрушиться, но в действительности ее поведение определяется внутренним атомным или молекулярным строением.

Сжимаемость газа можно рассчитать с помощью уравнения состояния, а для твердых тел и жидкостей она определяется лишь экспериментально. Например, установлено, что объем жидкой ртути при 0°С изменяется менее чем на миллионную долю при изменении давления в пределах 0 – 7*10 ⁸ Н/м² (0-7000 атм).

Металлические заготовки сложной формы можно получить путем штамповки. Холодный металл давлением проталкивают через отверстие соответствующей формы; под воздействием больших давлений металл переходит в «пластическое» состояние и начинает плавно «течь» через штамповочную фильеру.

Вакуум в промышленности. Высокий вакуум, как и высокие давления, находит множество применений в промышленности. Так, вакуум используют в процессе нанесения на поверхность изделий тонких металлических пленок. Предмет помещают в замкнутый объем, содержащий высокий вакуум. Когда пары металла впрыскивают внутрь объема, они осаждаются на поверхности предмета, образуя тонкую зеркальную пленку.

В условиях высокого вакуума осуществляется также внесение примесей в различные вещества. Именно на использовании сверхвысокого вакуума основана чрезвычайно тонкая электронная технология.

Технологические процессы-не единственная область применения предельных давлений. Известно, что все вещества в какой-либо степени сжимаемы, поэтому исследование воздействия давления на материалы очень важно и в строительном деле. Испытания строительных материалов под напряжением и давлением дают необходимую информацию о предельных нагрузках и растяжениях, которые способны выдержать различные материалы.

Вакуумное напыление широко используется для нанесения металлических покрытий. Заготовку помещают в камеру (А) вместе с проводом, покрытым крупинками напыляемого металла. Затем в камере создают очень низкое давление, а по проводу пропускают электрический ток. Частички металла плавятся, испаряются и оседают на заготовках в виде тонкой металлической пленки (Б).

Испытание материалов на прочность позволяет выявить их действительно слабые и сильные стороны. Эти испытания производятся при помощи устройств, которые создают различные сжатия и растяжения и автоматически записывают нагрузки, испытываемые материалом на каждом этапе. Подобным испытаниям подвергаются не только «эластичные» металлы (которые могут растягиваться подобно проволоке), но и хрупкие материалы типа показанного здесь фибергласа.

Давление и гравитация. На раннем этапе эволюции звезд происходит процесс конденсации межзвездных пыли и газа под воздействием гравитационных сил. Этот процесс сопровождается выделением тепла, что приводит к появлению высоких внутренних давлений. Силы давления и оказывают сопротивление дальнейшему гравитационному сжатию. Сжатие прекращается, когда противоположные по направлению силы давления и гравитации приходят в равновесие. Внутри звезд давления и температуры предельно высоки. В центре Солнца температура, возможно, близка к 10 млн. градусов, а плотность в 50 раз превосходит плотность воды. Давление здесь достигает величины порядка 4 10¹⁶ Н/м².

В некоторых звездах давления так велики, что атомы полностью разрушаются. Протоны и электроны существуют отдельно и сжаты столь сильно, что плотность вещества в таких звездах достигает нескольких тонн на кубический сантиметр.

В области объекта М8 наблюдаются молодые звезды. В скоплении слева образование звезд почти завершено, и очень высокие давления, сопровождающиеся увеличением внутренней температуры звезд, препятствуют их дальнейшему сжатию.