Klausimai apie medžiagų galimybes

Medžiaga ir daiktas yra skirtingi dalykai

Pažvelkite į puodelį. Puodelis yra daiktas: jis turi formą, dydį ir paskirtį. Jo korpusas pagamintas iš medžiagos, o rankenėlė ar danga gali būti iš kitos medžiagos. Medžiaga yra tai, iš ko kas nors pagaminta: viena cheminė medžiaga arba tam tikru būdu sudarytas medžiagų derinys. Iš tos pačios medžiagos galima pagaminti daug skirtingų daiktų, o viename daikte gali būti kelios medžiagos.

Šis skirtumas keičia klausimą. „Ar puodelis išlaiko gėrimą?“ yra klausimas apie visą daiktą. „Kaip ši medžiaga reaguoja į šilumą?“ yra klausimas apie medžiagos savybę konkrečiomis sąlygomis. Sienelės storis, forma, jungtys ir dangos gali veikti daikto elgseną. Todėl tinkamai veikiantis daiktas suteikia naudingos informacijos, bet neatskleidžia visų jį sudarančių medžiagų savybių.

Pradėkite nuo funkcijos ir sąlygų

Prieš klausdami, kokia medžiaga geriausia, įvardykite funkciją: naudingą darbą, kurį reikia atlikti. Puodelis išlaiko gėrimą, kabelis perduoda elektrinį signalą arba tiekia elektros energiją, o lango plokštė leidžia matyti per pertvarą. Tai tik pradinis apibūdinimas. Dar reikia paklausti, kokiu mastu, kaip dažnai ir kiek laiko ši funkcija reikalinga.

Sąlygos nusako, kur ir kaip daiktas naudojamas. Atsižvelkite į temperatūrą, drėgmę, saulės šviesą, sąlytį su kitomis medžiagomis, pasikartojantį judėjimą ir jėgas. Daiktą veikianti jėga yra apkrova. Svarbi ir jos kryptis: tempimas, spaudimas ir lenkimas yra skirtingi atvejai. Taip pat nuspręskite, kas reikštų netinkamą veikimą: pratekėjimas, per didelis išlinkimas, suprastėjęs matomumas ar nutrūkęs elektrinis ryšys. Aiškus klausimas susieja funkciją, sąlygas ir priimtiną rezultatą.

Skirtingos savybės atsako į skirtingus klausimus

Stiprumas apibūdina atsparumą nurodytam apkrovimui iki tam tikros ribos, pavyzdžiui, liekamosios deformacijos ar suirimo. Standumas nusako, kiek daiktas deformuojasi veikiamas apkrovos. Nagrinėjamomis sąlygomis standus daiktas formą keičia palyginti nedaug. Daikto standumas priklauso ne tik nuo medžiagos tampriojo atsako, bet ir nuo geometrijos. Todėl „stiprus“ ir „standus“ nėra sukeičiamais žodžiais išreiškiamos savybės.

Tąsumas apibūdina gebėjimą sugerti energiją prieš suyrant. Atsparumui jau esančio plyšio plitimui reikia išsamesnių klausimų, kuriuos nagrinėsime vėliau. Kietumas, pavyzdžiui, atsparumas įspaudimui ar braižymui, yra dar kita savybė; jis nepakeičia tąsumo. Elektrinis laidumas nusako, kaip lengvai pernešamas elektrinis krūvis. Šiluminis laidumas susijęs su šilumos perdavimu. Išgirdę „laidi medžiaga“, paklauskite, apie kurį laidumą kalbama. Šie skirtumai padeda vienos įspūdingos savybės nepalaikyti tinkamumu visoms paskirtims.

Kas yra viduje ir kaip tai pagaminta?

Medžiagos elgsena priklauso ne vien nuo pavadinimo. Sudėtis nusako, iš ko ji sudaryta. Sandara nusako, kaip sudedamosios dalys išsidėsčiusios: nuo atomų ir molekulių iki didesnių sričių ir jų sąsajų. Sąsaja yra riba tarp sričių. Defektai yra nukrypimai nuo pasirinkto idealaus išsidėstymo; vieni padeda sukurti naudingą elgseną, kiti gali sukelti problemų. Kol kas nereikia piešti atomų: pakanka suprasti, kad vidinis išsidėstymas svarbus.

Apdorojimas apima medžiagos gamybos ir poveikio jai istoriją: pavyzdžiui, formavimą, aušinimą, kaitinimą, jungimą ar paviršiaus padengimą. Jis gali pakeisti sandarą, o kartu ir elgseną. Du bandiniai, pažymėti tuo pačiu bendru medžiagos pavadinimu, gali būti apdoroti skirtingai. Jų savybės nebūtinai bus vienodos. Lygindami klauskite, kas pagaminta, kaip pagaminta ir ar aprašytas bandinys panašus į numatomą gaminį.

Prasmingam palyginimui reikia apibrėžtos paskirties

Nėra medžiagos, kuri būtų geriausia visoms funkcijoms ir visomis sąlygomis. Tinkamas pasirinkimas gali derinti kelis reikalavimus: mažą masę, pakankamą standumą, atsparumą pažeidimams, tinkamą laidumą, praktišką gamybą ir įgyvendinamą medžiagų atgavimo kelią. Kompromisas atsiranda tada, kai vieno reikalavimo gerinimas apsunkina kitą. Tad klausiame „kuri galimybė atitinka šiuos poreikius?“, o ne „kuri medžiaga apskritai laimi?“

Lyginkite palyginamus atvejus. Jei viena plokštė stora, o kita plona, skirtingos lenkimo elgsenos negalima savaime priskirti tik sudėčiai. Nurodykite, ar lyginate medžiagas, bandinius, ar visus daiktus. Vėliau skaitiniams palyginimams reikės vienetų ir matavimo neapibrėžtumo. Tačiau ir be skaičių galima daug suprasti, jei aiškiai įvardijamos funkcija, geometrija, sąlygos ir sėkmingo veikimo reikšmė.

Kokie įrodymai pagrindžia teiginį?

Matavimo rezultatas gaunamas stebint arba bandant konkretų bandinį užrašytomis sąlygomis. Jis turi neapibrėžtumą ir ribotą taikymo sritį. Modelio prognozė gaunama iš sistemos aprašymo ir jo prielaidų. Modelis gali būti naudingas, tačiau jo prognozė galioja su tam tikromis sąlygomis. Siūloma medžiaga ar savybė yra galimybė, kurią reikia tirti; vien pasiūlymas nepatvirtina, kad medžiaga pagaminta ar veikia taip, kaip tikimasi.

Pavyzdžiui, tarkime, vienas teiginys apie anglies nanovamzdelius susijęs su modelyje nagrinėjamu idealiu vamzdeliu be defektų, kitas – su išbandytu atskiru vamzdeliu, o trečias – su pagamintu pluoštu iš daugelio vamzdelių. Tai skirtingos struktūros ir skirtingi įrodymai. Pirmasis teiginys nesuteikia išmatuoto pluošto stiprio. Dar reikia nagrinėti išsidėstymą, jungtis, defektus ir apdorojimą. Šiam skirtumui pastebėti nereikia skaitinio palyginimo. Klauskite, kas modeliuota ar išbandyta, kas išmatuota ir kokią sritį išvada gali pagrįstai apimti.

Paverskite pažįstamą daiktą aiškesniu klausimu

Pasirinkite kasdienį daiktą, kurį galite įprastai apžiūrėti. Apibūdinkite jo paskirtį ir atpažinkite matomas dalis. Užrašykite tai, ką iš tikrųjų pastebite: skaidrų paviršių, lankstų apvalkalą ar prijungtą rankenėlę. Šiuos pastebėjimus atskirkite nuo spėjimų apie sudėtį ar paslėptą sandarą. Vien išvaizdos retai pakanka visoms svarbioms medžiagos savybėms nustatyti.

Tada užrašykite po vieną klausimą apie funkciją, sąlygas ir įrodymus. Pakanka įprastos apžiūros arba jau pateiktų aprašymų; šiai pamokai nereikia kaitinimo, elektrinių ar suirimo bandymų. Nebūtina išspręsti visos projektavimo užduoties. Geras pradinis rezultatas yra toks aiškus klausimas, kad būtų galima paaiškinti, kokia informacija padėtų į jį atsakyti.

Išnagrinėti pavyzdžiai

Pabandykite patys

1. Dviračio vairas yra daiktas. Ar „vairas“ taip pat yra jo medžiagos pavadinimas? Paaiškinkite, ko klaustumėte toliau.

   Rodyti atsakymą ir paaiškinimą

   Ne. Klauskite, iš ko vairas pagamintas, kaip pagamintas ir kokios funkcijos bei sąlygos svarbios.

   Daikto pavadinimas įvardija dalį ir jos paskirtį. Jis nenurodo sudėties, sandaros, matmenų ar apdorojimo istorijos.

2. Juostelė pastebimai išlinksta veikiama apkrovos, o ją pašalinus grįžta į ankstesnę formą. Ar vien šis pastebėjimas rodo mažą stiprumą?

   Rodyti atsakymą ir paaiškinimą

   Ne. Pastebėta deformacija ir formos atkūrimas, o ne apkrova, ties kuria būtų pasiekta stiprumo riba.

   Lenkimas taip pat priklauso nuo geometrijos ir atramų. Vienas pastebėjimas nenustato medžiagos stiprumo, tąsumo ar elgsenos esant kitokiam apkrovimui.

3. Aprašyme medžiaga vadinama „labai laidžia“. Ką reikia patikslinti prieš taikant šį teiginį puodeliui ar kabeliui?

   Rodyti atsakymą ir paaiškinimą

   Paklauskite, ar kalbama apie elektrinį, ar šiluminį laidumą, kokiomis sąlygomis ir kuriai daikto daliai jis svarbus.

   Krūvio pernaša ir šilumos perdavimas yra skirtingi klausimai. Kiekvienos savybės naudingumas priklauso nuo funkcijos ir visos konstrukcijos.

4. Modelis prognozuoja idealaus nanovamzdelio savybę. Ar todėl jau pademonstruotas pagamintas pluoštas su tokia savybe?

   Rodyti atsakymą ir paaiškinimą

   Ne. Tai sąlyginė prognozė apie modeliuotą struktūrą.

   Pagaminto pluošto įrodymai turi apimti tikrą jo sandarą, apdorojimą ir bandymo sąlygas. Prognozė, atskiro vamzdelio matavimas ir pluošto matavimas negali pakeisti vienas kito.

5. Patikslinkite klausimą „kokia medžiaga geriausia skaidriam dangčiui?“ Nurodykite dvi sąlygas ir vieną įrodymų rūšį, kurios prašytumėte.

   Rodyti atsakymą ir paaiškinimą

   Galimas klausimas: kuris dangčio ir konstrukcijos derinys išlaiko regimąjį skaidrumą esant numatytiems temperatūros pokyčiams ir kartotiniam naudojimui? Paprašykite palyginamų optinių savybių ir ilgaamžiškumo įrodymų.

   Galimi įvairūs pagrįsti atsakymai, jei nurodoma funkcija ir sąlygos. Šis pavyzdys apibrėžia naudingą palyginimą ir neteigia, kad kuri nors medžiaga visuotinai geriausia.

Ką verta įsidėmėti

• Pradėkite nuo funkcijos, naudojimo sąlygų ir sėkmingo veikimo reikšmės.
• Medžiagos savybė ir viso daikto elgsena susijusios, bet skirtingos.
• Stiprumas, standumas, tąsumas ir laidumas atsako į skirtingus klausimus.
• Svarbios sudėtis, sandara, apdorojimas ir geometrija.
• Skirkite matavimo rezultatus, sąlygines prognozes ir siūlomas galimybes.