Alt vi bygger skal være sterkt og solid for å klare jobben. Styrke vet vi hva er. Intuitivt. Men hva er stivhet? Trenger bilen det?
Bildet øverst: Hva er styrke og hva er stivhet her? Stivheten gir livreddende sammentrykkingsmotstand og oppbremsing av kollisjonskreftene, mens styrken gjør at front og kupe holder en god stund før delene rives opp. Og det er seigheten i metall som redder liv. Så en bil av glassfiber er en dårlig ide. (Foto: EuroNCAP)
Av Stein Bekkevold
Vi skjønner hva styrke er, det er at noe tåler en smell. Da er tingen solid. Det du ikke klarer å brekke eller rive i stykker er sterkt. En spaserstokk er sterk. Og stiv. Men en like lang, nykuttet seljekvist er slapp og langt fra stiv. Hvorfor ikke? Hva er stivhet?
Folk laget saker og ting i en million år før noen kom på å sjekke saken. Og disse «noen» var noen engelske fysikere, naturfilosofer. Newton var en av dem, pluss Hooke, Young og et par andre.
Gamle grekere – som Demokrit – mente at alt holdt sammen fordi de ørsmå tingene de besto av hadde «kroket seg fast» i hverandre. Småttingene kalte han a-tom, u-delelig. Og der stoppet det.
Helt til Englands støpejernsvevestoler ble dampdrevet og vokste, og støpejernet ble erstattet med stål fordi dette var seigere.
Da er vi på 1880-tallet og naturfilosofene fikk vind i seilene og penger i pungen. Men det tok 40 år før en engelsk fly-ingeniør (A. A. Griffith) på 1920-tallet lurte på hvorfor stoff har styrke i det hele tatt, hvorfor ikke alle stoff er like sterke, og hvordan han kunne måle dette.
Tiltrekningen mellom gassatomer i hydrogen og oksygen gir oss forutsetningen for alt liv, altså H2O – vann. (Foto: Sintef)
Spenning
er last per kvadratenhet, før sa vi kilo per cm2 – men nå heter det N/m2 – men vi mener det samme. Når spenning trekker i eller dytter på noe, ryker og knekker det før eller senere. Metaller ryker ofte når forlengelsen overstiger et par prosent. Hookes lov er last delt på forlengelse er konstant – dobbel last gir dobbel forlengelse – det er ikke helt korrekt, men holder i praksis.
Youngs lov (E-modul) sier at stivhet er last delt på forlengelse. Der har du det. Og stål har E -modul 210 Gpa mens aluminium bare har 71; stål er tre ganger stivere. Mens aluminiumoksid (safir) har en E-modul på 420 GPa og diamant har 1200. Dette er stivhet,ikke styrke. Styrke kommer særlig av evne til forlengelse under last, altså seighet.
Det er metallenes seighet som har gjort dem til teknikkvinnere – det å bli deformert uten å gå i filler. Resten av historien er materialforskning og metallurgi. Det startet for alvor med Griffith hos RAF på Farnborough i 1920 – og foregår nå over hele verden – flott for bileiere og alle som lager transportløsninger.
Styrke
Så: Hva er styrke? Vi føler at det betyr at atomer (og molekyler) holder godt fast i hverandre, men egentlig? Forskning gjennom to hundre år viste at mens atomene holdes sammen (kjerne pluss elektronsky) av elektriske krefter, bindes atomene kjemisk til molekyler. Derfor: Kjemiske bindinger holder partikler sammen – i ulike stoffer.
Slike kjemiske bindinger er tiltrekning mellom ladninger. Elektrostatikk. Styrken på bindingen gis av størrelsen på ladningen.
Bindinger kan være sterke eller svake. De sterke virker innover i molekylet, i et metall eller en ionisk kobling. Vi har TRE typer sterke: Metallbindingene, de ioniske og de kovalente – forskere kaller dem elektronparbinding. Dem om det. Ionisk kobling ser du i salter, kovalent i molekyler – og metallkobling i metaller. Men det er ingen fast overgang mellom dem, og en binding er ofte en miks av ulike typer. For å forkludre det for oss dødelige …
Teorien
Fysikere har regnet ut atomers elektro-negativitet, altså hvor sterkt de kan dra i elektroner. Ved å fastslå ulikhet i elektro-negativitet i to atomer kan de bestemme bindingstypen. Og om du lurte på hva de svake bindingene er, så er det de som bl.a. kan lage vann av gassene hydrogen og oksygen og gi oss molekylet H2O. Bare det er en sensasjon, to gasser blir væske. Lite slår Mor Natur!
Så svake bindinger lager vann. Mens metallbindinger kobler atomer med lav elektronegativitet. Du kan se dem for deg som en elektron-sky mellom positivt ladde metallioner. De positive tiltrekkes av den negative skyen. Det er ikke måte på.
Robert Hooke (1635–1703) var engelsk naturfilosof. Han oppfant mikroskopet, og begrepet «celle» i 1665, da han gransket bark og så noe som lignet munkeceller.
Hooke studerte i Oxford og ble i 1662 eksperimentsjef i Royal Society, og så sekretær. Han ble i 1664 professor i geometri. Isaac Newton hatet Hooke fordi denne oppdaget mye av det samme som ham: I 1678 kom Hooke med teorien om at massekraft avtar med kvadratet på avstanden, a la planetbevegelser. Han visste ikke at Newton ti år før hadde skjønt dette uten å si det. De kranglet om dette og annet hele livet.
Også Newton var fremstående i Royal Society, for å si det mildt. Han ble sjef der …
Thomas Young (1773-1829) var engelsk lege og fysiker, utdannet i Edinburgh med praksis i London – han elsket medisinsk optikk og studerte også fysikk. Young oppdaget det som skaper stivhet – og Youngs modul (E-modulen) er oppkalt etter ham. Du kan se på E som molekylær stivhet.
