Физ величина, характеризующая интенсивность нормальных (перпендикулярных к поверхности) сил, с к-рыми одно тело действует на поверхность другого (напр
Вид материала | Документы |
- Реферат По Физике, 58.66kb.
- Тема: определение реакций связей при действии на конструкцию произвольной плоской системы, 15.41kb.
- Головной мозг, 139.71kb.
- Работы режущего инструмента, основная нагрузка приходится на его рабочую поверхность,, 335.67kb.
- Головной мозг, с окружающими его оболочками находится в полости мозгового черепа, 437.52kb.
- Представьте себе некоторую поверхность и сидящего на ней муравья. Представили, 409.6kb.
- Лекция №8 Тема: «Продолжение», 81.36kb.
- Твует равновесию, установившемуся под действием силы тяжести, при условии, если, 669.51kb.
- Лабораторная работа метод естественного электрического поля (ЕП), 82.61kb.
- 1. Резьба Резьба поверхность, образованная при винтовом движении плоского контура, 223.58kb.
Д
ДАВЛЕНИЕ, физ. величина, характеризующая интенсивность нормальных (перпендикулярных к поверхности) сил, с к-рыми одно тело действует на поверхность другого (напр., фундамент здания на грунт, жидкость на стенки сосуда, газ в цилиндре двигателя на поршень). Если силы распределены вдоль поверхности равномерно, то Д. р на любую часть поверхности равно: p=F/S, где S — площадь этой части, F — сумма приложенных перпендикулярно к ней сил. При неравномерном распределении сил это равенство определяет ср. Д. на данную площадку, а в пределе, при стремлении величины S к нулю,— Д. в данной точке.
Для непрерывной среды аналогично вводится понятие «Д.» в каждой точке среды. В любой точке покоящейся жидкости или газа Д. по всем направлениям одинаково; это справедливо и для движущейся жидкости или газа, если их можно считать идеальными (лишёнными трения). В вязкой жидкости под Д. в данной точке понимают ср. значение Д. по трём взаимно перпендикулярным направлениям. Согласно кинетич. теории газов, Д. в газовой среде связано с передачей импульса при столкновениях находящихся в тепловом движении молекул газа друг с другом или с поверхностью граничащих с газом тел. Д. в газах (его можно назвать тепловым) пропорц. темп-ре (кинетич. энергии ч-ц, см. Газ).
Измеряют Д. манометрами, барометрами, вакуумметрами, а также разл. датчиками Д. Единицы Д. имеют размерность силы, делённой на площадь: в Междунар. системе единиц единица Д.—1 Па=Н/м2, в МКГСС системе единиц — 1 кгс/см2. Существуют внесистемные единицы Д.: физ. атмосфера (атм), техн. атмосфера (ат), бар, а также мм вод. ст. и мм рт. ст.(торр).
О физ. природе Д. волн (звук., ударных, эл.-магн.) см. в ст. Давление
звукового излучения, Ударная волна, Световое давление.
ДАВЛЕНИЕ ВЫСОКОЕ. Границы Д. в. условны, обычно высокими считают давления р, превышающие нек-рое характерное для данного физ. явления (пли конкретной задачи) значение. Часто Д. в. считают р>0,1 ГПа (св. 103 ат); столь же условно деление Д. в. на высокие и сверхвысокие.
Длительно действующие Д. в. наз. статическими, кратковременно действующие — мгновенными или динамическими. В покоящихся газах и жидкостях Д. в. явл. гидростатическими. При всестороннем сжатии тв. тела в нём возникает т. н. квазигидростатическое Д. в.— сложная система механич. напряжений, к-рые в общем случае изменяются от одной точки среды к другой. Ср. давлением (ср. норм. напряжением) в данной точке тела наз. ср. арифметич. значение норм. напряжений в трёх взаимно перпендикулярных направлениях. Чем меньше величина напряжений сдвига (~│макс-мин│) по сравнению со ср. давлением, тем ближе квазигидростатич. Д. в. к гидростатическому. Термином «Д. в.» обозначают как гидростатич., так и квазигидростатич. давление.
В природе статич. Д. в. существуют в осн. благодаря силам тяготения. В земных условиях давление изменяется от атмосферного у поверхности до ~3,5•102 ГПа в центре Земли. В центре Солнца оно составляет ~2•107 ГПа, в сердцевине белых карликов предполагается равным 109— 1012 ГПа, а на поверхности пульсара ~ 1020 ГПа. Динамич. Д. в. возникают, напр., при падении метеоритов, при вулканич. деятельности и тектонич. движениях.
В технике используются (70-е — нач. 80-х гг.) Д. в.~ 5—10 ГПа; в науч. экспериментах осваиваются статич. Д. в. до 1—3•102 ГПа («мегабарный
диапазон»). Динамич. Д. в., полученные при взрыве, достигают 30•102 ГПа. Исследования при динамич. давлениях ведутся в диапазоне от 1—2 ГПа до неск. тыс. ГПа. Перекрытие доступных для исследования диапазонов статич. и динамич. Д. в.— важное достижение физики высоких давлений 60—70-х гг.
Действие Д. в. на вещество. Под Д. в. происходит сжатие в-ва (увеличение его плотности; см. Сжимаемость) и энергетически выгодными становятся те направления физ. и хим. процессов, к-рые ведут к уменьшению объёма всех взаимодействующих в-в (при условии сохранения их массы, см. Ле Шателье — Брауна принцип).
Д. в. влияет на скорость (кинетику) процессов, причём оно может как ускорять, так и замедлять их. Ускорение нек-рых хим. реакций наблюдается, напр., в газах и происходит благодаря увеличению частоты столкновений молекул в результате повышения плотности газа, в тв. телах оно может происходить благодаря увеличению дефектности структуры. Замедляются же, напр., нек-рые фазовые превращения в сплавах вследствие уменьшения скорости диффузии, уменьшения равновесной концентрации вакансий. Мн. практически важные процессы при Д. в. проводят при высоких темп-pax, что ускоряет достижение равновесного (энергетически более выгодного) состояния.
При сжатии тела работа силы давления идёт на увеличение энергии тела: внутренней — при изоэнтропийном процессе и свободной — при изотермическом. Статич. сжатие, при к-ром темп-pa быстро выравнивается, относят обычно к изотермич. процессам. Если в результате сжатия темп-ра тела повышается, то в нём развивается большее Д. в., чем при изотермич, сжатии (при одинаковых нач. условиях и относительном изменении объёма).
В конденсиров. фазах различают упругую и тепловую составляющие
140
Д. в. Первая связана с упругим вз-ствием ч-ц при уменьшении объёма тела (т. н. холодное давление рх), а вторая — с их тепловым движением, обусловленным повышением темп-ры при сжатии. При статич. сжатии тепловая составляющая много меньше упругой, при сжатии в сильной ударной волне они сравнимы по величине. Сумма этих составляющих наз. горячим давлением рг.
Уменьшение межат. и межмол. расстояний при сжатии приводит к деформации молекул и электронных оболочек атомов, что приводит к относит. смещению уровней энергии, изменению осн. энергетич. состояния системы, конфигурац. вз-ствия в молекулах и их конформац. состояния. Это проявляется в изменении физ. и хим. свойств в-ва.
При статич. сжатии в пределах неск. ГПа изменяются условия взаимной растворимости газов, плотность газов становится сравнимой с плотностью жидкостей, большинство жидкостей затвердевает при комнатной темп-ре и Д. в. до 3—6 ГПа. Под Д. в. мн. крист. в-ва переходят в более плотные крист. модификации (см. Полиморфизм), наблюдаются переходы тв. диэлектриков и ПП в проводящее и сверхпроводящее состояние, изменения постоянной радиоакт. распада, ускоренная полимеризация мономеров, переходы хрупких материалов в пластич. состояние. Интерес представляют также физ. и хим. эффекты, возникающие при одноврем. действии Д. в. и деформаций сдвига.
Для мн. научных и практич. целей часто необходимо сохранить при норм. условиях ту фазу в-ва, к-рая была получена при статич. или динамич. Д. в., однако, как правило, в-во при снижении давления претерпевает обратный переход. Иногда всё же удаётся сохранить фазу Д. в. в метастабильном состоянии, для этого снижают сначала темп-ру сжатого в-ва, а затем давление.
При статич. Д. в. до 3—5 ГПа исследуются в-ва в газообразном и конденсиров. состояниях, при больших Д. в.— в осн. тв. тела. В физике твёрдого тела, наряду с феноменологич. описанием поведения в-в, определением крист. структуры и построением диаграмм состояния, при Д. в. исследуются свойства в-ва, связанные с явлениями на «молекулярном уровне». К ним относятся св-ва, обусловленные движением атомов, молекул, точечных и линейных дефектов крист. структуры и т. д. (диффузия, кинетика фазовых переходов, деформация и разрушение под действием механич. нагрузок и др.); св-ва, определяемые взаимным расположением атомов, расстоянием между ними и колебаниями крист. решётки (сжимаемость, упругость, электропроводность, ферромагнетизм); св-ва, связанные с видом возникающих в тв. теле элем. возбуждений (квазичастиц) и их вз-ствием (напр., зависимость сжимаемости, электропроводности, магн. эффектов от темп-ры, магн. поля, эл.-магн. излучения и др. внеш. параметров). В совр. физике тв. тела значит. интерес представляют исследования свойств в-ва в условиях совместного действия Д. в., низких и сверхнизких темп-р, сильных магн. полей; в таких исследованиях получают, в частности, существ. информацию об электронных св-вах металлов. Эксперименты при Д. в. дают сведения о зависимости плотности в-ва от давления и темп-ры, необходимые для построения уравнений состояния в «нетеоретическом» диапазоне (до Д. в.~104 ГПа).
При Д. в.~1011 ГПа плотность в-ва становится в 10 и более раз выше плотности тв. тела при норм. условиях, а зависимость от рх приближается к предельной, одинаковой для всех в-в: 5/3 ~ рх. При таких Д. в. ядра полностью ионизов. атомов могут сближаться и вступать в яд. реакции. При достаточных Д. в., но темп-pax ниже вырождения температуры, в-во переходит в вырожденное состояние, при к-ром энергия и давление не зависят от темп-ры (см. Вырожденный газ).
Во 2-й пол. 20 в. с помощью статич. Д. в. получены важные научные результаты, мн. из к-рых нашли широкое практич. применение. Синтезированы алмаз и алмазоподобные модификации нитрида бора (р4 ГПа и t1100°С), получены плотные крист. модификации важных породообразующих минералов (кремнезёма, оливина), зафиксирован переход диэлектриков в проводящее и сверхпроводящее состояние, установлены диаграммы состояний для мн. одно- и многокомпонентных систем. Д. в. используются при механич. обработке металлов и при полимеризации. Динамич. Д. в., возникающие при взрыве, используют для получения при сильном сжатии плотных модификаций, сохраняющихся при норм. условиях, для сварки металлов, для исследования изменения плотности в-в и фазовых переходов в них, в особенности при таких высоких давлениях и темп-pax, какие ещё недоступны статич. методам.
Получение и измерение Д. в. Динамич. Д. в. получают с помощью искрового разряда, яд. и хим. взрывов, импульсного магн. поля (напр., в горячей плазме), одноврем. действия взрыва и магн. поля, инерц. методов (сжатия тела при торможении им другого тела, летящего с большой скоростью). Для измерения динамич. Д. в. применяются пьезо- и эл.-магн. датчики, манганиновые манометры, методы оптич. регистрации.
Статич. Д. в. получают тепловыми или механич. методами. В первых Д. в. создаётся либо нагреванием жидкости или газа в замкнутых сосудах (в газах т. о. получены давления до
3—4 ГПа), либо охлаждением жидкостей, увеличивающих свой объём при затвердевании (напр., замораживая воду, можно получить фиксированные Д. в. ок. 0,2; ГПа).
Механич. методы получения Д. в. явл. основными; в них используют насосы и компрессоры, к-рыми сжимаемые газы или жидкости нагнетают в замкнутый объём или проточную систему (гидравлич. компрессором получены Д. в. до 1,6 ГПа), и аппараты, в к-рых масса сжимаемого в-ва остаётся постоянной (рис., а) или почти постоянной (рис., б — з), а занимаемый ею объём уменьшается под действием внеш. силы, создаваемой гидравлич. прессами (рис., а, б, в, д, е, ж, з), сжатой жидкостью (рис., г), а в миниатюрных устройствах (типа показанного на рис. д) — пружиной.
Типы аппаратов, применяемых для создания статических высоких давлений. Сжимаемое в-во (рабочее тело, участки с нанесёнными точками) располагается между поршнями (пуансонами), к-рые приводятся в движение в направлениях, указанных стрелками; зачернённые участки — деформируемые прокладки, служащие для уплотнения разъёмов между пуансонами, создания поддерживающих усилий и позволяющие пуансонам перемещаться. Для исследований при высоких темп-pax применяют металлич. и графитовые электронагреватели, для исследований при низких темп-pax всю камеру помещают в криостат. а — классич. камера с цилиндрич. поршнями, применяемая для сжатия газов, жидкостей и тв. тела; б — в — камеры для сжатия тв. тел (жидкости и газы можно помещать в сжимаемое тв. тело в ампулах); б — камера с криволинейными или конич. пуансонами и соответствующей формой сосуда Д. в.; в — шестипуансонный (показаны четыре пуансона) аппарат с кубич. формой рабочего тела; г — двухступенчатый многопуансонный аппарат типа «разрезная сфера». Усилие, равномерно прикладываемое к пуансонам первой ступени, передаётся большему числу пуансонов ступени Д. в., в свою очередь передающих его рабочему телу, к-рое в данном случае имеет форму октаэдра; д — двухпуансонные «наковальни» из алмазов ювелирного качества (позволяют проводить рентгеноструктурные и оптич. исследования под Д. в., нагрев с помощью лазера и т. д.); е — двухпуансонные «наковальни» с лункой, имеют увеличенный объём рабочей камеры по сравнению с камерой, представленной на рис. 9; ж и з — многопуансонные системы со скользящими пуансонами; a — двухступенчатый аппарат. В мегабарном диапазоне Д. в. применяются камеры типа г и д.
Аппараты Д. в., схемы к-рых приведены на рис. б—з, позволяют получить в них Д. в., превосходящее прочность на сжатие (при норм. условиях) материалов, из к-рых они изготовлены [высокопрочные стали,
141
тв. сплавы на основе карбида вольфрама, природные и синтетич. алмазы; для спец. измерений используются немагнитные и (или) прозрачные для эл.-магн. излучения материалы]. Мн. исследования проводятся на образцах в виде тонких (~10-6м) плёнок, сжатых до давлений ~ 10—100 ГПа.
Д. в. в жидкостях и газах может быть измерено манометрами (для абс. измерений применяют поршневые манометры), в тв. среде в аппаратах типа цилиндр — поршень (рис., а) Д. в. может быть определено по величине приложенной к поршням силы (с поправкой на трение); в др. типах аппаратов значит. часть внеш. усилия расходуется на уплотнение разъёмов между пуансонами и сжатие пластичных прокладок, поэтому квазигидростатич. Д. в. определяется косвенными методами: по изменению параметров крист. решётки известного в-ва (см. Рентгеновский структурный анализ), по скачкам электросопротивления, сопровождающим полиморфные переходы в реперных в-вах, по остаточным явлениям сжатия (увеличению плотности стёкол, образованию плотных модификаций); в аппаратах с прозрачными пуансонами применяется также оценка величины Д. в. по сдвигу частоты линии люминесценции рубина (этот метод особенно эффективен в «мегабарном» диапазоне Д. в.). До создания абс. шкалы давлений применяемые методы измерения Д. в. явл. в осн. эмпирическими и основанными на экстраполяции опытных данных.
• Верещагин Л. Ф., Твердое тело при высоких давлениях, Избр. труды, М., 1981; Верещагин Л. Ф., Кабалкина С. С., Рентгеноструктурные исследования при высоком давлении, М., 1979; Ц и к л и с Д. С., Плотные газы, М., 1977; П оп о в а С. В., Бенделиани Н. А., Высокие давления, М., 1974; К и р ж н и ц Д. А., Экстремальные состояния вещества, «УФН», 1971, т. 104, в. 3, с. 489; Николаевский В. Н., Лившиц Л. Д., Сизов И. А., Механические свойства горных пород, в кн.: Итоги науки и техники. Сер. Механика твердого деформируемого тела, т. 11, М., 1978; Лившиц Л. Д., Механические свойства твердых тел при высоких давлениях, ФЭС, т. 3, М., 1963, с. 224; Альтшулер Л. В., Фазовые превращения в ударных волнах, «ПМТФ», 1978, № 4.
Л. Д. Лившиц.
ДАВЛЕНИЕ ЗВУКОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ (давление звука, радиационное давление), постоянное давление, испытываемое телом, находящимся в стационарном звук. поле. Д. з. и. пропорц. плотности звук. энергии. Оно мало по сравнению со звуковым давлением; так, напр., в звук. поле в воздухе, в к-ром звук. давление равно 102 Па при норм. падении звук. волны на полностью отражающее звук препятствие, Д. з. и. приблизительно равно 0,1 Па. Измерение Д. з. и. производится радиометром акустическим. Зная величину Д. з. и., можно определить абс. значение интенсивности звука в данной среде.
ДАВЛЕНИЕ ИЗЛУЧЕНИЯ, см. Световое давление.
ДАВЛЕНИЕ СВЕТА, то же, что световое давление.
Д'АЛАМБЕРА ПРИНЦИП, один из осн. принципов динамики, согласно к-рому, если к заданным (активным) силам, действующим на точки механич. системы, и реакциям наложенных связей присоединить силы инерции, то получится уравновешенная система сил. Назв. по имени франц. учёного Ж. Д'Аламбера (J. D'Alembert). Из Д. п. следует, что для каждой i-той точки системы Fi+Ni+Ji=0, где fi — действующая на эту точку активная сила, Ni — реакция наложенной на точку связи (см. Связи механические), J — сила инерции. Д. п. позволяет применить к решению задач динамики более простые методы статики, поэтому им широко пользуются в инженерной практике, особенно для определения реакции связей в случаях, когда закон происходящего движения известен или найден из решения ур-ний, не содержащих реакций, напр. Лагранжа уравнений.
С. М. Тарг.
Д'АЛАМБЕРА — ЛАГРАНЖА ПРИНЦИП, один из осн. принципов механики, дающий общий метод решения задач динамики и статики; объединяет возможных перемещений принцип и Д'Аламбера принцип. Если к действующим на точки механич. системы активным силам Fi присоединить силы инерции ,Ji, то, согласно Д.— Л. п., при движении механич. системы с идеальными связями (см. Связи механические) в каждый момент времени сумма элем. работ активных сил Aai и элем. работ сил инерции Aиi на любом возможном перемещении системы равна нулю. Математически Д.— Л. п. выражается равенством, которое наз. общим уравнением механики:
(Aai+Aиi)=0, или
(Ficosi+Jicosi)si=0.
Здесь si — величина возможных перемещений точек системы, i и i — углы между направлениями соответствующих сил и возможных перемещений, Ji=-miwi — силы инерции, где mi — массы точек системы, wi — их ускорения. Преимущество Д.— Л. п. в том, что он позволяет изучить движение системы с идеальными связями, не вводя в ур-ния неизвестные реакции связей.
С. М. Тарг.
Д'АЛАМБЕРА — ЭЙЛЕРА ПАРАДОКС, положение гидродинамики, согласно к-рому при равномерном и прямолинейном движении тела внутри безграничной жидкости, лишённой вязкости, вихреобразований и поверхностей разрыва скоростей, результирующая сила сопротивления жидкости движению тела равна нулю (высказан франц. учёным Ж. Д'Аламбером в 1744 и петерб. акад. Л. Эйлером в 1745). Физически отсутствие сопротивления объясняется тем, что при указанных условиях поток жидкости должен замыкаться позади движущегося тела, причём жидкость оказывает на заднюю сторону тела воздействие, уравновешивающее воздействие (всегда имеющее место) на переднюю сторону.
В действительности тело при движении в жидкости или газе всегда испытывает сопротивление. Противоречие между действительностью и Д.— Э. п. объясняется тем, что в реальной среде не выполняются те предположения, на к-рых строится доказательство парадокса. При движении тела в жидкости всегда проявляется вязкость жидкости, образуются вихри (особенно позади тела) и возникают поверхности разрыва скорости. Эти термодинамически необратимые процессы и вызывают сопротивление движению тела со стороны жидкости.
ДАЛЬНИЙ И БЛИЖНИЙ ПОРЯДОК, упорядоченность в расположении структурных ч-ц в-ва (атомов, молекул, ионов), в ориентации их магн. и дипольных электрич. моментов и т. п. Упорядоченность на расстояниях, сравнимых с межатомными, наз. ближним порядком, а упорядоченность, повторяющаяся на неограниченно больших расстояниях, дальним порядком. В идеальном газе нет никакой закономерности во взаимном расположении атомов; положение любого атома не зависит от положения остальных атомов, т. е. нет ни ближнего, ни дальнего порядков. В жидкостях и аморфных тв. телах (см. Аморфное состояние) существует только ближний порядок, т. е. нек-рая закономерность в расположении соседних атомов. На больших расстояниях порядок «размывается» и переходит в «беспорядок». Дальнего порядка в жидкостях и аморфных телах нет. В кристаллах правильное чередование атомов на одних и тех же расстояниях друг от друга повторяется для сколь угодно отдалённых атомов, т. е. существует Д. и б. п. Основным признаком дальнего порядка явл. симметрия кристаллов.
Наличие Д. и б. п. обусловлено вз-ствием между ч-цами. Равновесному состоянию любой системы ч-ц при абс. нуле темп-ры (если квант. эффекты, связанные с нулевыми колебаниями атомов, малы) соответствует минимум её потенц. энергии U (рис., а). Т. к. энергия вз-ствия зависит от расстояния r между ними и их взаимного расположения, то при Т=0 К ч-цы (за исключением атомов Не) образуют правильную крист. решётку. Для системы ч-ц одного сорта, имеющей минимум U при r=r0, период решётки равен r0. При наличии ч-ц двух сортов А и В, напр. в двухкомпонентных сплавах, если выполняется
соотношение UAB<1/2(Uаа+UBB),
142
то соседями атомов А, как правило, будут атомы В (рис., б).
Д. и б. п. существует не только во взаимном расположении ч-ц (координационный порядок). В жидкостях, содержащих несимметричные молекулы, существует ближний порядок, а в жидких кристаллах — и дальний порядок в ориентации молекул (ориентационный порядок).
В ферромагнетиках, ферримагнетиках и антиферромагнетиках существует Д. и б. п. в ориентации магн. моментов ч-ц (магнитное упорядочение), в сегнетоэлектриках — в ориентации электрич. дипольных моментов.
Образование координац. порядка явл. результатом фазового перехода I рода (см. Кристаллизация). Магн. и сегнетоэлектрич. упорядоченности возникают в результате фазовых переходов II рода.
• Л а н д а у Л. Д., Лифшиц Е. М., Статистическая физика, 3 изд., ч. 1, М., 1978; Френкель Я. И., Статистическая физика, 2 изд., М.— Л., 1948; 3 е й т ц Ф., Современная теория твердого тела, пер. с англ., М., 1949; Уайт Р., Джембелл Т., Дальний порядок в твёрдых телах, пер. с англ., М., 1982.