Materiály Materiály

Struktura bloku

  1. Úvod
  2. Materiály kolem nás
  3. Materiály domácího kutila
  4. Vylepšujeme vlastnosti materiálů
  5. Trocha fyziky okolo materiálů

Úvod – Proč se zajímat o materiály?

Miroslav Raab ve své knize Materiály a člověk píše: „Lidskou civilizaci odedávna podpírají tři sloupy: materiály, komunikace a informace." Zamysleli jste se někdy nad tím, kolik zajímavých materiálů nás denně obklopuje? A jak úžasné vlastnosti mají? V dějepise jste se učili o době kamenné, době bronzové a železné. I to ukazuje, jak byly materiály pro vývoj lidstva důležité. Jak bychom nazvali dnešní dobu? Že by – doba plastová?

Do dnešní doby lidé vymysleli asi 25 000 kovových slitin a koncem 20. století bylo známo snad 30 000 plastů. Tyto materiály mají stále lepší vlastnosti – jsou lehké, pevné, dobře odolávají vlivům prostředí. Představte si třeba velké dopravní letadlo, které letí ve výšce 10 km nad zemí, venku je –50°C, letadlo prolétá vzdušnými víry… Nebo, kolik toho musí vydržet pneumatiky současných automobilů.


Hořčíková slitina AZ91 (hořčík 90% , hliník 9%, zinek 1% a další příměsi) je levná, lehká, pevná, poměrně dobře odolává korozi, slouží nejenom pro výrobu součástek, ale například i pro disky kol vozů formule 3 (odlévají se v Hradci Králové)

Spočítejte si, kolikrát se kolo otočí během životnosti pneumatiky, zjistěte, jaká je hmotnost automobilu a kolik toho pneumatika nese, jaká je styčná plocha s vozovkou a jaký je tedy tlak (napětí) v pneumatice… Nebo takové kolejnice.

A co teprve přírodní materiály. Před jejich vlastnostmi má respekt nejeden materiálový inženýr. Plní totiž většinou několik funkcí. Jsou nosnými prvky organismů, probíhají v nich chemické reakce, transportují vodu, živiny, a dokonce dokáží samy sebe opravit.

Chcete se dozvědět něco o tom, jak lze zjišťovat vlastnosti materiálů, jak se dají tyto vlastnosti zlepšovat, proč docela obyčejné kovy dokážou být skvělými materiály, když z nich připravíme slitinu, nebo kompozit? A jak třeba mohou vědci ze zbytku bronzového meče zjistit, jak vypadala výroba bronzu v dávných dobách? Chcete sami experimentovat a upravit např. kus ledu tak, aby byl pružný a pevný, zpevnit list papíru tak, aby unesl nečekaně velkou zátěž, nebo se postavit na tři syrová vajíčka, aniž by pod vámi praskla? Zajímají vás tyto a mnohé jiné věci? Potom jste na správném místě.

Co myslíte?

Nebojte se, nebudete si muset opakovat poučky z fyziky, chemie nebo matematiky. Jenom trochu přemýšlejte a zamyslete se nad následujícími problémy. Zkuste sami dodatečně vypátrat správné odpovědi na otázky, které vám na poprvé nebudou jasné. A ujistěte se, že i to, co vám připadalo jednoduché, bylo zodpovězeno správně. (V kurzu jsou správné odpovědi zobrazeny i s vysvětlením, žáci mají k dispozici nápovědu).

1. Koleje, po kterých dnes jezdí rychlovlaky, nemají tzv. dilatační spáry. K čemu takové spáry (mezery mezi jednotlivými úseky kolejnic) sloužily?

  1. Vznikaly v důsledku nedokonalosti dřívějších stavebních metod. Dělníci se snažili, aby takové spáry nevznikaly, ale nedařilo se jim to.
  2. Koleje v zimě praskaly, a proto vznikaly tyto spáry.
  3. Dilatační spáry sloužily k tomu, aby se koleje nepoškodily při změnách
  4. Dilatační spáry sloužily jako technologické otvory v kolejích. Mohly se jimi protahovat telefonní nebo telegrafní kabely, za deště jimi protékala voda, která by jinak koleje podmáčela.

2. Na konci železniční trati na pražském Masarykově nádraží jsou mohutné ocelové nárazníky zabudované v betonovém podloží. Na nádraží v Lipsku je naopak pohyblivý nárazník spojený soustavou táhel a kloubů s množstvím těžkých pražců uložených hluboko ve štěrku. Co lépe zastaví rozjetý vlak?

  1. Pevný nárazník v Praze, protože rozjetý vlak nikdy nemůže rozbít ocelovou konstrukci uloženou v betonu.
  2. Ani jeden z obou způsobů nemůže vlak zastavit, a proto se dnes již žádné zarážky na koncích kolejí nedělají.
  3. Jedině pevný nárazník v Praze. Pohyblivá soustava táhel a zasypaných pražců nemůže vlak zastavit.
  4. Záchytný systém v Lipsku. Zatímco pevný nárazník by rozjetý vlak rozdrtil, soustava táhel a pražců dokáže působit velkou brzdnou silou na dlouhé dráze a vlak přitom zastaví.

3. Proč se u automobilu používají zimní a letní pneumatiky?

  1. Je to předepsáno zákonem o provozu na pozemních komunikacích, ale nemá to žádný rozumný důvod.
  2. Pneumatiky se během půl roku provozu natolik zničí, že je nutné je vyměnit. Proto to silniční vyhláška přikazuje.
  3. Zimní pneumatiky za mrazu velice ztvrdnou a to chrání automobil před smykem.
  4. Zimní pneumatiky jsou za mrazu měkké. Lépe dosedají na vozovku a navíc mají vhodnější povrchovou úpravu a složení pro jízdu na zledovatělých vozovkách.

4. Co je důležité u materiálů používaných pro zubní plomby?

  1. Musí mít podobnou teplotní roztažnost jako zubní sklovina. Jinak by brzy vypadly např. vlivem teplé polévky, ledové zmrzliny apod.
  2. Na samotném materiálu plomby nezáleží. Důležitá je jenom jeho barva, a to z estetických důvodů.
  3. Materiál musí obsahovat hodně arzénu, aby plomby pomáhaly hubit škodlivé bakterie.
  4. Materiál musí mít vysokou savost, aby dobře pohlcoval sliny a jiné kapaliny.

5. Mohou se na výrobu lodních trupů používat ocelové pláty?

  1. Ne. Ocel má větší hustotu než voda, proto neplave, a loď by se potopila.
  2. Ano. Ocel je velmi pevná a navíc má menší hustotu než voda. Proto loď s ocelovým trupem může plavat.
  3. Ano, ale jenom pro stavbu námořních lodí. Mořská voda má totiž větší hustotu než voda v řekách a jezerech.
  4. Ano. Lodní trup musí mít samozřejmě dostatečný objem, aby jeho průměrná hustota byla menší než hustota vody.

[nahoru]

Vylepšujeme vlastnosti materiálů – Kompozitní materiály

(ukázka praktického domácího úkolu)

Mnoho běžně dostupných materiálů nás neuspokojuje svými mechanickými vlastnostmi. Nejsou dostatečně pevné, pružné, tvrdé apod. Přesto je poměrně snadné tyto vlastnosti vylepšit. Jednou z cest ke zdokonalení materiálů jsou tzv. kompozity. Asi všichni znáte lamináty. Ty jsou typickým příkladem kompozitů, které si mohou připravovat domácí kutilové, modeláři apod. Již řadu let probíhá výzkum kompozitů na bázi lehkých kovů a v posledních letech se objevily kompozity na bázi hořčíku, které mají fantastické vlastnosti. Takové materiály jsou ale pro nás nedostupné.

Vše si vyzkoušíme a vysvětlíme na něčem docela běžném – na ledu. Led je, jak víte, pevné skupenství vody. Jeho mechanické vlastnosti nejsou nijak valné. Je křehký, snadno praská – na zamrzlém rybníku se mnohdy objeví dlouhé praskliny, které se šíří za zlověstných zvuků do velké dálky.

V našich krajinách nemáme mnoho zkušeností se slaným ledem. Eskymáci dobře vědí, že mořský led je kvalitnější než led jezerní nebo říční. I po tenkém ledu na moři mohou bez problémů jezdit saně. Led se pod nimi prohýbá, ale nepraskne. Je pružný a pevný zároveň. Mohou za to krystalky soli, které v ledu zamrzly. No a právě tomu se říká kompozit. Má tzv. matrici, kterou je v tomto případě led, a vyztužující fázi. (Říká se jí také zpevňující fáze.) Vyztužující fázi tvoří částice, v našem případě krystalky soli, které brání šíření trhlin v matrici.

Těžko ale budete experimentovat se slaným ledem. Ani v dobré mrazničce vám totiž slaná voda pořádně nezmrzne.

Zkuste něco jiného:

O novinovém papíru se taky nedá říct, že by měl nějak vynikající mechanické vlastnosti. Když jej použijete jako vyztužující fázi v ledu, budete asi výsledkem překvapeni.

Nastříhejte proužky novinového papíru a nechejte je zamrznout ve vodě. Vyrobte si srovnávací ledový plát tak, že necháte čistou vodu zamrznout v ploché nádobě.

Můžete zkoušet různé technologie výroby ledo-novinového kompozitu:

Nalijte do fotografické misky, nebo do podobné nádoby trochu vody, nechejte ji zamrznout, naskládejte na ni proužky papíru a zalijte vodou. Po zmrznutí položte další vrstvu novinových proužků atd. Další vzorek kompozitu připravte tak, že do vody nastrkáte novinový papír a vše necháte zamrznout najednou. Zkuste taky různé tvary novinového papíru.

Kompozit bude mít dobré vlastnosti, když mezi papírovými proužky budou vrstvičky ledu. Pokud se vám podaří nechat někde uvnitř ledu zamrznout chumel papíru, moc dobrých výsledků se nedočkáte.

Ledo-novinový kompozit má pozoruhodné vlastnosti. Můžete jej řezat pilkou jako dřevo, vrtat do něj díry, jenom jedna věc je nepříjemná – bude Vám u toho zima.

Příště se podíváme na kompozity z jiných materiálů. Zatím zkuste doma experimentovat s ledem.

[nahoru]

Komentáře (pro přihlášené)