Удельная сила

Прочности специфические представляет собой материал , по прочности (сила на единицу площади при выходе из строя) делится на его плотность . Это также известно как отношение прочности к массе или отношение прочности к массе или отношение прочности к массе . В волокнах или текстильных изделиях обычно измеряется удельная прочность на разрыв. Единица измерения удельной прочности в системе СИ - Па м ³ / кг или Н · м / кг, что по размерам эквивалентно м ² / с ² , хотя последняя форма используется редко. Удельная сила имеет те же единицы, что иудельная энергия и связана с максимальной удельной энергией вращения, которую объект может иметь, не разлетаясь из-за центробежной силы .

Другой способ описания удельной прочности - это разрывная длина , также известная как длина самоподдержки : максимальная длина вертикальной колонны материала (при фиксированном поперечном сечении), которая может удерживать собственный вес, когда поддерживается только сверху. Для этого измерения определение веса - это сила тяжести на поверхности Земли ( стандартная сила тяжести , 9,80665 м / с ² ), действующая на всю длину материала, не уменьшающуюся с высотой. Такое использование чаще встречается с некоторыми специальными волокнами или текстильными изделиями.

Материалы с наивысшей удельной прочностью обычно представляют собой волокна, такие как углеродное волокно , стекловолокно и различные полимеры, которые часто используются для изготовления композиционных материалов (например, углеродного волокна и эпоксидной смолы ). Эти и другие материалы, такие как титан , алюминий , магний и высокопрочные стальные сплавы , широко используются в аэрокосмической и других областях, где снижение веса стоит более высокой стоимости материалов.

Обратите внимание, что сила и жесткость различны. Оба важны при проектировании эффективных и безопасных конструкций.

Расчеты разрывной длины [ править ]

${\ Displaystyle L = {\ гидроразрыва {T_ {s} / \ rho} {\ mathbf {g}}}}$

где - длина, - предел прочности, - плотность, - это ускорение свободного падения ( м / с ) ${\ displaystyle L}$ ${\ displaystyle T_ {s}}$ ${\ displaystyle \ rho}$ ${\ displaystyle \ mathbf {g}}$ ${\ displaystyle \ приблизительно 9,8}$ ${\ displaystyle ^ {2}}$

Примеры [ править ]

Удельная прочность на разрыв различных материалов
Материал	Прочность на разрыв ( МПа )	Плотность ( г / см ³ )	Удельная прочность ( кН · м / кг )	Разрывная длина ( км )	Источник
Конкретный	2–5	2.30	5,22	0,44
Полиоксиметилен (ПОМ)	69	1,42		4,95	^[1]
Резинка	15	0,92	16,3	1,66
Медь	220	8,92	24,7	2,51
Полипропилен / ПП	25–40	0,90	28–44	2,8–4,5	^[2]
(Поли) акрилонитрил-бутадиен-стирол / АБС	41–45	1.05	39–43		^[3]
Полиэтилентерефталат / полиэстер / ПЭТ	80	1,3–1,4	57–62		^[4]
Проволока для фортепиано / Сталь ASTM 228	1590–3340	7,8	204–428		^[5]
Полимолочная кислота / полилактид / PLA	53	1,24	43 год		^[6]
Низкоуглеродистая сталь (AISI 1010)	365	7,87	46,4	4,73	^[7]
Нержавеющая сталь (304)	505	8.00	63,1	6.4	^[8]
Латунь	580	8,55	67,8	6,91	^[9]
Нейлон	78	1.13	69,0	7,04	^[10]
Титана	344	4,51	76	7,75	^[11]
CrMo Сталь (4130)	560–670	7,85	71–85	7,27–8,70	^[12]^[13]
Алюминиевый сплав (6061-Т6)	310	2,70	115	11,70	^[14]
дуб	90	0,78–0,69	115–130	12–13	^[15]
Инконель (X-750)	1250	8,28	151	15.4	^[16]
Магниевый сплав	275	1,74	158	16.1	^[17]
Алюминиевый сплав (7075-Т6)	572	2,81	204	20,8	^[18]
Pine Wood (американская восточная белая)	78	0,35	223	22,7	^[19]
Титановый сплав ( бета C )	1250	4.81	260	26,5	^[20]
Бейнит	2500	7,87	321	32,4	^[21]
Бальза	73	0,14	521	53,2	^[22]
Углеродно-эпоксидный композит	1240	1,58	785	80,0	^[23]
Паучий шелк	1400	1,31	1069	109
Волокно из карбида кремния	3440	3,16	1088	110	^[24]
Пряжа Miralon из углеродных нанотрубок серии C	1375	0,7–0,9	1100	112	^[25]
Стекловолокно	3400	2,60	1307	133	^[26]
Базальтовое волокно	4840	2,70	1790	183	^[27]
Усы железа 1 мкм	14000	7,87	1800	183	^[21]
Вектран	2900	1,40	2071	211	^[26]
Углеродное волокно (AS4)	4300	1,75	2457	250	^[26]
Кевлар	3620	1,44	2514	256	^[28]
Dyneema ( СВМПЭ )	3600	0,97	3711	378	^[29]
Зилон	5800	1,54	3766	384	^[30]
Углеродное волокно (Toray T1100G)	7000	1,79	3911	399	^[31]
Углеродные нанотрубки (см. Примечание ниже)	62000	0,037–1,34	46268 – Н / Д	4716 – Н / Д	^[32]^[33]
Колоссальная карбоновая трубка	6900	0,116	59483	6066	^[34]
Графен	130500	2,090	62453	6366	^[35]
Фундаментальный предел			9 × 10 ¹³	9,2 × 10 ¹²	^[36]

Данные этой таблицы взяты из лучших случаев и были установлены для получения приблизительных цифр.

Примечание. Многослойные углеродные нанотрубки обладают наивысшей прочностью на разрыв из всех материалов, которые когда-либо измерялись, и лаборатории производят их с пределом прочности на разрыв 63 ГПа ^[32], все еще значительно ниже их теоретического предела в 300 ГПа. Первые жгуты из нанотрубок (длиной 20 мм), предел прочности которых был опубликован (в 2000 г.), имели прочность 3,6 ГПа, что все еще значительно ниже их теоретического предела. ^[37] Плотность различается в зависимости от способа изготовления, и наименьшее значение составляет 0,037 или 0,55 (твердое тело). ^[33]

«Юрий» и космические привязи [ править ]

Международный консорциум Космического лифта предложил «Юру» в качестве названия для единиц СИ , описывающей прочность конкретной. Удельная прочность имеет фундаментальное значение при описании материалов кабелей космических лифтов . Единица Юрий задумана как единица СИ для предела текучести (или предела прочности) на единицу плотности материала при растяжении. Итак, единицы измерения для одного Юрия - Па м ³ / кг . Эта единица эквивалентна одному Н · м / кг , который представляет собой разрывную / предельную силу, приходящуюся на линейную плотность натянутого кабеля. ^[38]^[39] Функциональный земной космический лифт.потребуется трос 30–80 МегаЮри (что соответствует разрывной длине 3100–8200 км). ^[40]

Фундаментальный предел удельной силы [ править ]

Условие нулевой энергии накладывает фундаментальный предел на удельную прочность любого материала. ^[36] Удельная прочность не должна превышать c ² ~9 × 10 ¹³ кН · м / кг , где c - скорость света . Этот предел достигается с помощью силовых линий электрического и магнитного поля, силовых трубок КХД и фундаментальных струн, предполагаемых теорией струн . ^{[ необходима цитата ]}

Упорство (прочность ткани) [ править ]

Упорство является обычной мерой прочности в виде волокна или нити . Обычно его определяют как предельную (разрывную) силу волокна (в единицах грамм- сила), деленную на денье . Поскольку денье является мерой линейной плотности, прочность на разрыв оказывается не мерой силы на единицу площади, а скорее квазигабаритной мерой, аналогичной удельной прочности. ^[41] Упорство соответствует: ^[^{необходима цитата}^] В основном упорство, выраженное в отчете как cN / tex. ${\ displaystyle 1}$ ${\ displaystyle {\ frac {1 {\ rm {\, g}} \ cdot 9.80665 {\ rm {\, ms ^ {- 2}}}} {1 {\ rm {\, g}} / 9000 {\ rm {\, m}}}} = {\ frac {9.80665 {\ rm {\, ms ^ {- 2}}}} {1/9000 {\ rm {\, m}}}} = 9.80665 {\ rm {\, ms ^ {- 2}}} \, 9000 {\ rm {\, m}} = 88259,85 {\ rm {\, m ^ {2} s ^ {- 2}}}}$

См. Также [ править ]

Удельный модуль
Космический лифт
Космический трос

Ссылки [ править ]

^ https://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=762
^ http://www.goodfellow.com/E/Polypropylene.html
^ http://www.goodfellow.com/E/Polyacrylonitrile-butadiene-styrene.html
^ http://www.goodfellow.com/E/Polyethylene-terephthalate.html
^ http://www.matweb.com/search/datasheet_print.aspx?matguid=4bcaab41d4eb43b3824d9de31c2c6849
^ http://www.goodfellow.com/E/Polylactic-acid-Biopolymer.html
^ "Сталь AISI 1010, холоднотянутая" . matweb.com . Проверено 20 октября 2015 .
^ "Лист технических данных ASM" . asm.matweb.com . Проверено 20 октября 2015 .
^ «Свойства медных сплавов» . roymech.co.uk .
^ http://www.goodfellow.com/E/Polyamide-Nylon-6.html
^ "Лист технических данных ASM" . asm.matweb.com . Проверено 14 ноября 2016 .
^ "Лист технических данных ASM" . asm.matweb.com . Проверено 18 августа 2016 .
^ "Лист технических данных ASM" . asm.matweb.com . Проверено 18 августа 2016 .
^ "Лист технических данных ASM" . asm.matweb.com . Проверено 18 августа 2016 .
^ "Экологические данные: дубовая древесина" . Архивировано 9 октября 2007 года . Проверено 17 апреля 2006 .CS1 maint: bot: исходный статус URL неизвестен ( ссылка )
^ "Лист технических данных ASM" . asm.matweb.com . Проверено 20 октября 2015 .
^ «eFunda: Типичные свойства магниевых сплавов» .
^ "Лист технических данных ASM" . asm.matweb.com . Проверено 20 октября 2015 .
^ "Американская восточная белая сосна" . www.matweb.com . Проверено 8 декабря 2019 .
^ "Технические данные материалов AZo" . azom.com . Проверено 14 ноября 2016 .
^ a b 52-я лекция в память о Хэтфилде: «Большие куски очень прочной стали» HKDH Bhadeshia 2005. на archive.is
^ "MatWeb - информационный ресурс онлайн-материалов" . matweb.com .
^ McGraw-Hill ЭНЦИКЛОПЕДИЯ науки и технологии, 8издание, (с) 1997, т. 1 стр. 375
^ Specialty Materials, Inc SCS карбид кремниевые волокна
^ NanoComp Technologies Inc. "Miralon Yarn" (PDF) .
^ a b c "Вектран" . Vectran Fiber, Inc.
^ "RWcarbon.com - Источник деталей BMW и Mercedes из углеродного волокна для аэрооборудования" . rwcarbon.com .
^ "Сетевая группа композитов в строительстве: Введение в армированные волокном полимерные композиты" . Архивировано 18 января 2006 года . Проверено 17 апреля 2006 .CS1 maint: bot: исходный статус URL неизвестен ( ссылка )
^ "Информационный бюллетень Dyneema" . DSM . 1 января 2008 г.
^ Toyobo Co., Ltd. "ザイロン ® (PBO 繊維) 資料 (2005)" (PDF) . Архивировано из оригинала (бесплатно скачать PDF) на сайте 2012-04-26.
^ Toray Composites Materials America, Co., Ltd. "T1100S, ПРОМЕЖУТОЧНЫЙ МОДУЛЬНЫЙ УГЛЕРОДНЫЙ ВОЛОКНО" (бесплатно скачать PDF) . CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
^ а б Ю, Мин-Фэн; Лурье, Олег; Дайер, Марк Дж .; Молони, Катерина; Келли, Томас Ф .; Руофф, Родни С. (28 января 2000 г.). «Прочность и механизм разрушения многослойных углеродных нанотрубок при растягивающей нагрузке» (PDF) . Наука . 287 (5453): 637–640. Bibcode : 2000Sci ... 287..637Y . DOI : 10.1126 / science.287.5453.637 . PMID 10649994 . Архивировано из оригинального (PDF) 4 марта 2011 года.
^ а б К.Хата. «От высокоэффективного синтеза УНТ без примесей к лесам DWNT, твердым телам CNT и суперконденсаторам» (PDF) . DOI : 10.1117 / 12.716279 .
^ Пэн, H .; Chen, D .; и др., Huang JY; и другие. (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 .
^ "Лауреаты Нобелевской премии по физике 2010 г." (PDF) . nobelprize.org.
^ а б Браун, Адам Р. (2012). «Прочность на разрыв и разработка черных дыр». Письма с физическим обзором . 111 (21). arXiv : 1207.3342 . Bibcode : 2013PhRvL.111u1301B . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.111.211301 .
^ Ли, Ф .; Cheng, HM; Bai, S .; Вс, Г .; Дрессельхаус, М.С. «Прочность на разрыв однослойных углеродных нанотрубок, измеренная непосредственно с их макроскопических канатов» . Письма по прикладной физике . 77 (20). DOI : 10.1063 / 1.1324984 .
^ Strong Tether Challenge 2013
^ Суперпользователь. «Терминология» . isec.org . Архивировано из оригинала на 2012-05-27.
^ "Удельная сила в Юрис" . keithcu.com .
^ Родригес, Фердинанд (1989). Принципы полимерных систем (3-е изд.). Нью-Йорк: Hemisphere Publishing. п. 282 . ISBN 9780891161769. OCLC 19122722 .

Внешние ссылки [ править ]

Удельная жесткость - График удельной прочности , Кембриджский университет, инженерный факультет

[1] ttps://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=762

[2] ttp://www.goodfellow.com/E/Polypropylene.html

[3] ttp://www.goodfellow.com/E/Polyacrylonitrile-butadiene-styrene.html

[4] ttp://www.goodfellow.com/E/Polyethylene-terephthalate.html

[5] ttp://www.matweb.com/search/datasheet_print.aspx?matguid=4bcaab41d4eb43b3824d9de31c2c6849

[6] ttp://www.goodfellow.com/E/Polylactic-acid-Biopolymer.html

[7] "Сталь AISI 1010, холоднотянутая" . matweb.com . Проверено 20 октября 2015 .

[8] "Лист технических данных ASM" . asm.matweb.com . Проверено 20 октября 2015 .

[roymech-9] «Свойства медных сплавов» . roymech.co.uk .

[10] ttp://www.goodfellow.com/E/Polyamide-Nylon-6.html

[11] "Лист технических данных ASM" . asm.matweb.com . Проверено 14 ноября 2016 .

[12] "Лист технических данных ASM" . asm.matweb.com . Проверено 18 августа 2016 .

[13] "Лист технических данных ASM" . asm.matweb.com . Проверено 18 августа 2016 .

[14] "Лист технических данных ASM" . asm.matweb.com . Проверено 18 августа 2016 .

[15] "Экологические данные: дубовая древесина" . Архивировано 9 октября 2007 года . Проверено 17 апреля 2006 .CS1 maint: bot: исходный статус URL неизвестен ( ссылка )

[16] "Лист технических данных ASM" . asm.matweb.com . Проверено 20 октября 2015 .

[17] «eFunda: Типичные свойства магниевых сплавов» .

[18] "Лист технических данных ASM" . asm.matweb.com . Проверено 20 октября 2015 .

[19] "Американская восточная белая сосна" . www.matweb.com . Проверено 8 декабря 2019 .

[20] "Технические данные материалов AZo" . azom.com . Проверено 14 ноября 2016 .

[Bhadeshia-21] 52-я лекция в память о Хэтфилде: «Большие куски очень прочной стали» HKDH Bhadeshia 2005. на archive.is

[22] "MatWeb - информационный ресурс онлайн-материалов" . matweb.com .

[23] McGraw-Hill ЭНЦИКЛОПЕДИЯ науки и технологии, 8издание, (с) 1997, т. 1 стр. 375

[24] Specialty Materials, Inc SCS карбид кремниевые волокна

[NanoComp-25] NanoComp Technologies Inc. "Miralon Yarn" (PDF) .

[vectran-26] "Вектран" . Vectran Fiber, Inc.

[27] "RWcarbon.com - Источник деталей BMW и Mercedes из углеродного волокна для аэрооборудования" . rwcarbon.com .

[ngcc-28] "Сетевая группа композитов в строительстве: Введение в армированные волокном полимерные композиты" . Архивировано 18 января 2006 года . Проверено 17 апреля 2006 .CS1 maint: bot: исходный статус URL неизвестен ( ссылка )

[29] "Информационный бюллетень Dyneema" . DSM . 1 января 2008 г.

[Toyobo_Co.,_Ltd.-30] Toyobo Co., Ltd. "ザイロン ® (PBO 繊維) 資料 (2005)" (PDF) . Архивировано из оригинала (бесплатно скачать PDF) на сайте 2012-04-26.

[Toray_Composites_Materials_America,_Co.,_Ltd.-31] Toray Composites Materials America, Co., Ltd. "T1100S, ПРОМЕЖУТОЧНЫЙ МОДУЛЬНЫЙ УГЛЕРОДНЫЙ ВОЛОКНО" (бесплатно скачать PDF) . CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )

[Strength_and_Breaking-32] а б Ю, Мин-Фэн; Лурье, Олег; Дайер, Марк Дж .; Молони, Катерина; Келли, Томас Ф .; Руофф, Родни С. (28 января 2000 г.). «Прочность и механизм разрушения многослойных углеродных нанотрубок при растягивающей нагрузке» (PDF) . Наука . 287 (5453): 637–640. Bibcode : 2000Sci ... 287..637Y . DOI : 10.1126 / science.287.5453.637 . PMID 10649994 . Архивировано из оригинального (PDF) 4 марта 2011 года.

[K.Hata-33] а б К.Хата. «От высокоэффективного синтеза УНТ без примесей к лесам DWNT, твердым телам CNT и суперконденсаторам» (PDF) . DOI : 10.1117 / 12.716279 .

[CCT-34] Пэн, H .; Chen, D .; и др., Huang JY; и другие. (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 .

[nobelprize.org-35] "Лауреаты Нобелевской премии по физике 2010 г." (PDF) . nobelprize.org.

[Brown_2012-36] а б Браун, Адам Р. (2012). «Прочность на разрыв и разработка черных дыр». Письма с физическим обзором . 111 (21). arXiv : 1207.3342 . Bibcode : 2013PhRvL.111u1301B . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.111.211301 .

[37] Ли, Ф .; Cheng, HM; Bai, S .; Вс, Г .; Дрессельхаус, М.С. «Прочность на разрыв однослойных углеродных нанотрубок, измеренная непосредственно с их макроскопических канатов» . Письма по прикладной физике . 77 (20). DOI : 10.1063 / 1.1324984 .

[38] Strong Tether Challenge 2013

[39] Суперпользователь. «Терминология» . isec.org . Архивировано из оригинала на 2012-05-27.

[40] "Удельная сила в Юрис" . keithcu.com .

[41] Родригес, Фердинанд (1989). Принципы полимерных систем (3-е изд.). Нью-Йорк: Hemisphere Publishing. п. 282 . ISBN 9780891161769. OCLC 19122722 .

[1]