Metale nie toną w wodzie. Dlaczego żelazne statki nie toną? Najlżejsze metale na świecie

Rosyjsko-amerykański zespół naukowców przedstawił rewolucyjne osiągnięcie: ultralekkie aluminium, które nie tonie w wodzie.

Chemicy z Rosyjskiego Południowego Uniwersytetu Federalnego i Uniwersytetu Utah (USA) opracowali nową ultralekką krystaliczną formę aluminium. Nie tonie w wodzie i może być stosowany w różnych dziedzinach gospodarki i przemysłu. Do stworzenia nowego materiału zastosowano innowacyjne podejście wykorzystujące technologię komputerową. O badaniu informuje „Science Daily”.

Profesor Alexander Boldyrev z Uniwersytetu Utah wraz z kolegami z Południowego Uniwersytetu Federalnego zrestrukturyzował zwykłe aluminium na poziomie molekularnym. W tym celu eksperci wykorzystali modelowanie komputerowe i „złożyli” nową sieć krystaliczną.

Boldyrev wyjaśnia: jego zespół pracował z siecią krystaliczną diamentu. Naukowcy biorąc za podstawę jego strukturę zastąpiło każdy atom węgla czworościan aluminiowy.
W rezultacie powstała nowa, metastabilna forma najlżejszego aluminium. Jego gęstość – 0,61 grama na centymetr sześcienny (dla porównania: zwykłe aluminium ma gęstość 2,71 grama na centymetr sześcienny).
Oznacza to, że aluminium ma nową formę krystaliczną będzie unosić się na powierzchni wody , którego gęstość wynosi jeden gram na centymetr sześcienny.

Właściwość ta otwiera ogromne perspektywy zastosowania nowego metalu – stosunkowo niedrogiego i łatwego w produkcji, odpornego na korozję paramagnetyku. Budownictwo kosmiczne, medycyna, elektronika czy przemysł motoryzacyjny to tylko niektóre obszary, w których ultralekkie aluminium znajdzie zastosowanie – przekonują autorzy pracy. To prawda, że ​​\u200b\u200bnadal muszą przetestować nowy materiał w różnych warunkach, przede wszystkim, aby sprawdzić jego wytrzymałość.

Denis Zelenov pomógł go przeprowadzić. 10 lat.

Latem Denis pływał po kanale Wołga-Don. Obserwowałem duże statki, które szły wzdłuż kanału, wznosząc się i opadając w komorze śluzy. I pomyślałem: co pozwala im nie tylko unosić się na wodzie, ale także przewozić ciężkie ładunki?

Dlaczego statki mogą chodzić po wodzie?

Jest kilka powodów.

1. Gęstość

Doświadczenie 1

Wszyscy wiemy, że jeśli wrzucimy drewnianą deskę do wody, ta będzie leżała na jej powierzchni, natomiast blacha tej samej wielkości natychmiast zacznie tonąć.

Dlaczego to się dzieje? Decyduje o tym nie ciężar obiektu, ale jego gęstość. Gęstość to masa substancji zawartej w określonej objętości.

Doświadczenie 2

Wzięliśmy kostki tego samego rozmiaru 70x40x50 mm z różnych materiałów - metalu, drewna, kamienia i pianki i zważyliśmy je. I zobaczyli, że kostki mają różną masę, a co za tym idzie, różną gęstość.

Waga kostki od:

• kamień – 264g.,
• styropian - 3 g.,
• metal - 1020 gr.,
• drewno – 70 gr.

Na tej podstawie doszli do wniosku, że wśród kostek najgęstszym materiałem jest metal, a następnie kamień, drewno i pianka.

Doświadczenie 3

Co się stanie, jeśli te kostki zostaną umieszczone w wodzie? Jak widać z doświadczenia, kamień i metal zatonęły - ich gęstość jest większa niż gęstość wody, natomiast pianka i drewno nie - ich gęstość jest mniejsza niż gęstość wody. Oznacza to, że każdy obiekt będzie unosić się na wodzie, jeśli jego gęstość jest mniejsza niż gęstość wody.

Dlatego, aby statek mógł unosić się na wodzie, musi być tak wykonany, aby jego gęstość była mniejsza niż gęstość wody. Załóżmy, że robimy go z materiału, który ma gęstość mniejszą niż gęstość wody i nie tonie - na przykład z drewna. Z historii wiemy, że ludzie najpierw wykonywali tratwy, a następnie łodzie z drewna, wykorzystując właściwość drewna – pływalność.

Dziś widzimy wiele statków wykonanych z metalu, ale one nie toną. Powodem jest to, że ich ciało jest wypełnione powietrzem. Powietrze jest substancją znacznie mniej gęstą niż woda. Statek rozwija jakby całkowitą, całkowitą gęstość powietrza i metalu. W rezultacie średnia gęstość statku wraz z ogromną ilością powietrza w jego kadłubie staje się mniejsza niż gęstość wody. Dlatego ciężki statek nie tonie. Potwierdźmy to doświadczeniem.

Doświadczenie 4

Opuśćmy do wody płaską blachę - natychmiast tonie, ale każde naczynie z burtami pozostaje na powierzchni - tworzy się w niej rezerwa wyporu. Można tam nawet umieścić ładunek.

Sprawdza się również sprzęt ratunkowy: kamizelka lub koło noszone przez osobę. Z ich pomocą możliwe jest utrzymanie się na powierzchni do czasu przybycia ratowników.

2. Siła wyporu

Ponadto na ciało zanurzone w wodzie działa siła wyporu. Na rysunku widzimy, że siły nacisku działają na ciało ze wszystkich stron:

Siły działające w kierunku poziomym, tj. na pokładzie statku wzajemnie się kompensują. Nacisk na dolną powierzchnię – na dno – przewyższa ciśnienie z góry. W rezultacie powstaje siła wyporu skierowana ku górze.

Widać to wyraźnie z następującego doświadczenia.

Doświadczenie 5

Zanurzona w wodzie kula wypełniona powietrzem wylatuje z niej z dużą siłą.

Działa to na piłkę jak siła wyporu (siła Archimedesa). To ona utrzymuje statek na powierzchni i pozwala mu pływać.

1-Siły konserwacyjne; 2-Ciśnienie wody na pokładzie statku

Od czego zależy działanie siły wyporu?

Pierwszy- zależy to od objętości statku, a po drugie - od gęstości wody, w której pływa statek. Siła ta jest tym większa, im większa jest objętość zanurzonego ciała. Sprawdźmy to doświadczalnie.

Doświadczenie 6

Kładziemy niewielki ciężar na pływającą deskę, a one toną. Ale objętość pontonu jest znacznie większa i może pomieścić nawet kilka osób.

Drugi— siła wyporu zmienia się wraz ze wzrostem gęstości wody. Gęstość wody można zwiększyć poprzez bardzo, bardzo duże solenie.

Udowodnijmy to za pomocą następującego doświadczenia.

Słowo „metal” często kojarzy się z ciężkością. Jest to dalekie od prawdy. Wszystkie metale mają bardzo różne właściwości. Niektóre z nich są tak lekkie, że nawet nie toną w wodzie. Który metal jest najlżejszy? Jakie są jego właściwości? Dowiedzmy Się.

Najlżejsze metale na świecie

Metale o małej gęstości nazywane są lekkimi. Nie jest to bynajmniej rzadkie zjawisko. Substancje o takich właściwościach stanowią około 20% masy skorupy ziemskiej. Są aktywnie wydobywane i szeroko stosowane w przemyśle.

Najlżejszym metalem jest lit. Oprócz najniższej masy atomowej ma również najniższą gęstość, która jest dwukrotnie mniejsza niż woda. Po litu są potas, sód, glin, rubid, cez, stront itp. Należą do nich tytan, który ma najwyższą wytrzymałość spośród metali.

Aluminium jest również lekkie i trwałe. Jest trzecim co do częstości występowania w skorupie ziemskiej. Dopóki ludzie nie nauczyli się pozyskiwać go na skalę przemysłową, metal był droższy od złota. Teraz kilogram aluminium można kupić za około 2 dolary. Znajduje zastosowanie zarówno w przemyśle rakietowym, wojskowym, jak i do produkcji folii spożywczej oraz artykułów kuchennych.

Lit

Lit znajduje się w pierwszej grupie układu okresowego pierwiastków. Jest numerem 3, po wodorze i helu, i ma najmniejszą masę atomową ze wszystkich metali. Prosta substancja - lit, w normalnych warunkach ma srebrzystobiały kolor.

Jest najlżejszym metalem alkalicznym o gęstości 0,534 g/cm3. Z tego powodu unosi się nie tylko w wodzie, ale także w nafcie. Do jego przechowywania stosuje się zwykle parafinę, benzynę, oleje mineralne lub eter naftowy. Lit jest bardzo miękki i plastyczny, można go łatwo ciąć nożem. Aby stopić ten metal, należy go podgrzać do temperatury 180,54 °C. Będzie wrzeć tylko w temperaturze 1340°C.

W przyrodzie występują tylko dwa stabilne izotopy tego metalu: lit-6 i lit-7. Oprócz nich istnieje 7 sztucznych izotopów i 2 izomery jądrowe. Lit jest produktem pośrednim w reakcji przemiany wodoru w hel, uczestnicząc w ten sposób w procesie powstawania energii gwiazdowej.

Reakcje z litem

Biorąc pod uwagę jego zasadowy charakter, można założyć, że jest bardzo aktywny. Metal jest jednak najspokojniejszym przedstawicielem swojej grupy. W normalnej temperaturze pokojowej lit słabo reaguje z tlenem i wieloma innymi substancjami. Po podgrzaniu wykazuje swój „gwałtowny temperament”, następnie reaguje z kwasami, różnymi gazami i zasadami.

W przeciwieństwie do innych metali alkalicznych słabo reaguje z wodą, tworząc wodorotlenek i wodór. Praktycznie nie ma reakcji z suchym powietrzem. Ale jeśli jest mokry, lit powoli reaguje z gazami, tworząc azotek, węglan i wodorotlenek.

W pewnych temperaturach najlżejszy metal jest aktywny z amoniakiem, alkoholem etylowym, halogenami, wodorem, węglem, krzemem i siarką.

Stopy litu

Właściwości litu poprawiają pewne właściwości metali, dlatego często stosuje się go w stopach. Przydatna jest jego reakcja z tlenkami, wodorem i siarczkami. Po podgrzaniu tworzy z nimi nierozpuszczalne związki, które łatwo ekstrahować ze stopionych metali, oczyszczając je z tych substancji.

Aby zapewnić stopowi odporność na korozję i ciągliwość, miesza się go z magnezem i aluminium. Miedź z nią stopiona staje się gęstsza i mniej porowata oraz lepiej przewodzi prąd. Najlżejszy metal zwiększa twardość i plastyczność ołowiu. Jednocześnie podnosi temperaturę topnienia wielu substancji.

Dzięki litowi metal staje się trwały i odporny na uszkodzenia. Jednocześnie nie obciąża ich. Dlatego stopy na jego bazie stosowane są w inżynierii kosmicznej i lotnictwie. Stosowane są głównie mieszaniny z kadmem, miedzią, skandem i magnezem.

Odnajdywanie w naturze i znaczeniu

Najlżejszy metal ma około 30 własnych minerałów, ale tylko 5 z nich jest wykorzystywanych w przemyśle: pentalit, amblygonit, lepidolit, zinnwaldite i spodumen. Ponadto znajduje się w słonych jeziorach. Ogółem skorupa ziemska zawiera 0,005% tego metalu.

Duże przemysłowe zasoby litu znajdują się na wszystkich kontynentach. Wydobywa się go w Brazylii, Australii, Republice Południowej Afryki, Kanadzie, USA i innych krajach. Następnie wykorzystuje się go w elektronice, metalurgii, materiałach laserowych, energetyce nuklearnej, a nawet medycynie.

W naszym organizmie występuje w wątrobie, krwi, płucach, kościach i innych narządach. Brak litu prowadzi do zaburzeń w funkcjonowaniu układu nerwowego i mózgu. Zwiększa odporność organizmu na choroby i aktywuje działanie enzymów. Stosowany jest w walce z chorobą Alzheimera, zaburzeniami psychicznymi, stwardnieniem rozsianym i różnymi uzależnieniami.

Toksyczność

Pomimo ważnej roli biologicznej litu w naszym organizmie może być niebezpieczny. Najlżejszy metal jest dość toksyczny i może powodować zatrucie. Po spaleniu powoduje podrażnienie i obrzęk błon śluzowych. Jeśli dotknie ich kawałek całego metalu, stanie się to samo.

Litu nie należy dotykać bez rękawiczek. Wchodząc w interakcję z wilgocią zawartą w powietrzu lub wilgocią na skórze, łatwo powoduje oparzenia. Z roztopionym metalem należy zachować jeszcze większą ostrożność, ponieważ jego aktywność znacznie wzrasta. Pracując z nim, należy pamiętać, że jest to alkalia. Możesz zmniejszyć jego działanie na skórę zwykłym octem.

W organizmie lit zwiększa stabilność układu odpornościowego i poprawia funkcjonowanie układu nerwowego. Ale jego nadmiarowi towarzyszą zawroty głowy, senność i utrata apetytu. Zatrucie metalami prowadzi do zmniejszenia libido, osłabienia mięśni i przyrostu masy ciała. W takim przypadku wzrok i pamięć mogą się pogorszyć i może wystąpić śpiączka. Podczas pracy z litem należy zawsze nosić rękawiczki, kombinezon ochronny i okulary ochronne.

) wraz ze specjalistami z Polytechnic School of Engineering na Uniwersytecie Nowojorskim stworzyli nowy kompozyt metalowy, który jest na tyle lekki, że może unosić się na wodzie i nie tonąć.

Kompozyt z osnową stopu magnezu to tzw. pianka syntaktyczna, rodzaj materiału kompozytowego powstałego w wyniku wypełnienia osnowy metalowej, polimerowej lub ceramicznej pustymi cząsteczkami. W tym przypadku matryca ze stopu magnezu wypełniona jest pustymi cząsteczkami węglika krzemu opracowanymi przez firmę DST. Oznacza to, że jest to rodzaj pianki metalowej.

Naukowcy twierdzą, że w rezultacie powstała najlżejsza na świecie pianka syntaktyczna z metalową osnową. Struktura „pianki” pozwala, aby materiał miał gęstość 0,92 grama na centymetr sześcienny, czyli mniejszą niż gęstość wody, dzięki czemu materiał może unosić się na powierzchni cieczy i nie tonąć.

Niezwykle trwałe kulki z węglika krzemu wytrzymują ciśnienie przekraczające 1757,6 kilograma na centymetr kwadratowy. Takie kule mogą również zapewniać odporność na uderzenia, działając jako pochłaniacze energii.

Zmiana liczby kulek dodawanych do matrycy pozwala kompozytowi na uzyskanie kilku innych właściwości, które można dostosować w zależności od przeznaczenia zastosowania.

W przyszłości z takiego materiału można by budować statki morskie, które utrzymają się na powierzchni nawet po uszkodzeniu kadłuba. Ponadto materiał był na tyle gęsty, że wykonany z niego statek mógł wytrzymać trudne warunki morskie.

Materiał charakteryzuje się także odpornością na ciepło, co czyni go realną alternatywą dla lekkich kompozytów z osnową polimerową, które w ostatnich latach były przedmiotem wielu badań i które były stosowane do produkcji komponentów morskich i motoryzacyjnych (zamiast cięższych komponentów na bazie metali).

„To nowe osiągnięcie w dziedzinie materiałów kompozytowych to bardzo lekki materiał, który pozwoli nam powrócić do wytwarzania komponentów z metalu” – powiedział Nikhil Gupta, profesor inżynierii mechanicznej i lotniczej, współautor badania „Zdolność metali do wytrzymania wyższe temperatury mogą okazać się ogromną zaletą, jeśli komponenty są produkowane dla silnika lub będą miały kontakt ze spalinami.”

Potencjalne zastosowania materiału obejmują nie tylko wykładanie dna statku, ale zdaniem twórców będzie on przydatny do tworzenia części samochodowych, pojazdów pływających i opancerzenia pojazdów wojskowych. Ten ostatni przykład wyjaśnia, dlaczego DST rozwija się przy wsparciu Laboratorium Badawczego Armii USA.

Według twórców prototypy urządzeń wykonane z nowego materiału będą testowane przez najbliższe trzy lata.

Szczegóły można znaleźć w artykule naukowym opublikowanym w czasopiśmie Journal of Impact Engineering.