Нас окружает прекрасный мир – живая и неживая природа. Рукотворные и нерукотворные предметы материального мира существуют по законам природы и по своим собственным, присущим только данным предметам, закономерностям. Но в этом богатстве жизни одно свойство, общее для всех существ и объектов. Это – прочность, то есть способность сохраняться длительное время, не поддаваясь разрушению. Чтобы продолжить разговор о прочности, изучим и повторим некоторые физические понятия.
Как известно, условие возникновения силы упругости – это наличие деформации тела, то есть изменения его размеров или формы под действием внешних сил. Человеческое тело испытывает достаточно большую нагрузку от собственного веса и от усилий, прикладываемых во время различных действий, поэтому на примере тела человека можно проследить все виды деформаций.
Деформацию сжатия испытывают позвоночник и ноги. Деформацию растяжения – руки и все связки, сухожилия, мышцы. Деформацию изгиба – кости таза, позвоночник, конечности. Деформациию кручения – шея при повороте, кисти рук при вращении. Мышечные связки, лёгкие и некоторые другие органы обладают большой эластичностью, например, затылочная связка может быть растянута более чем вдвое.
Механическое напряжение – это сила упругости, действующая на единицу площади поперечного сечения тела (см. левую формулу). Если деформация является упругой, то механическое напряжение прямо пропорционально относительному удлинению тела (см. правую формулу).
Коффициентом пропорциональности служит так называемый модуль Юнга, который измеряется в ньютонах на квадратный метр (то есть паскалях) и обозначается символом E. Значение модуля Юнга показывает механическое напряжение, которое необходимо приложить к телу, чтобы удлинить его в 2 раза. Для различных материалов модуль Юнга меняется в широких пределах. Для стали, например, E=2·1011 Н/м2, а для резины E=2·106 Н/м2. Для хрящевой ткани человека E=2·108 Н/м2.
Предельное напряжение, разрушающее кость плеча, около 8·108 Н/м2, предельное напряжение, разрушающее кость бедра, около 13·108 Н/м2. Сечение бедренной кости человека в средней её части напоминает пустотелый цилиндр, внешним радиусом 11 мм и внутренним 5 мм. Предел прочности костной ткани на сжатие равен 1,7·108 Н/м2. Разрушить её может только груз массой более 5 тонн!
Природа наделила человека и животных трубчатыми костями и сделала стебли злаков трубчатыми, сочетая экономию материала с прочностью и лёгкостью «конструкций». Под воздействием порыва ветра стебель здорового растения изгибается. Если при порыве ветра величины механических напряжений, возникших в стебле, не превышают критической величины, то после порыва ветра стебель выпрямляется. Если же при порыве ветра величины механических напряжений превысят критическую величину, то стебель не выпрямится и безвозвратно сместится от вертикального положения, то есть поляжет.
