Почему волос может быть прочнее чугуна, но рвётся от небольшой нагрузки

✦ ИИ  Этот пост, предположительно, был создан при помощи искусственного интеллекта
Пост опубликован в блогах iXBT.com, его автор не имеет отношения к редакции iXBT.com

Вот странность, которую я не могу выкинуть из головы. Человеческий волос на разрыв прочнее некоторых марок серого чугуна. И при этом волос рвётся от лёгкого движения, а чугунная деталь держит нагрузку. Я не поверил, когда увидел эти цифры. Полез проверять. Оказалось, что ещё в 2020 году в журнале Transactions of the JSME вышла работа, где измерили прочность одиночного человеческого волоса. Среднее напряжение разрушения — 192 мегапаскаля. У серого чугуна низких марок — порядка 100-150 МПа. Волос обгоняет.

Слева — волос. Справа — проволока. Одинаковая толщина, разная природа. Изображение сгенерировано нейросетью.
Слева — волос. Справа — проволока. Одинаковая толщина, разная природа. Изображение сгенерировано нейросетью.
Автор: flow Источник: flow.google.com

Цифра не единичная. Обзор, опубликованный в Materials Science and Engineering C (2017 год), даёт диапазон 150-270 МПа. Результат зависит от влажности и скорости нагружения. Прочность также связана с диаметром волоса — но это уже данные других работ, не той же самой.

Почему же тогда мы не используем волосы вместо тросов?

Прочность материала и прочность конструкции — это не одно и то же. Прочность материала — это напряжение, при котором конкретный образец разрушается при определённых условиях испытания. Измеряется в мегапаскалях. Для каждого вещества она не является универсальной константой: влажность, температура, скорость нагружения и размер образца меняют результат. Прочность конструкции — это нагрузка, которая ломает конкретную деталь. Измеряется в ньютонах. Зависит от размера, формы, толщины.

Волос тонкий. Его сечение — доли квадратного миллиметра. Напряжение высокое, но общая нагрузка мизерная. Чугунная деталь толще. Сечение больше. Нагрузка выше, хотя напряжение — ниже. Если сделать из чугуна волос той же толщины, он порвётся раньше человеческого.

Что говорят цифры

Испытуемый материал Прочность на разрыв, МН/м²
Мышечная ткань 0,1
Бетон 4,1
Кирпич 5,5
Сухожилие (ахиллово, ориентировочно) ≈80
Кость (кортикальная, ориентировочно) ≈110
Волос 192
Чугун серый (низкие марки) 100-150
Сталь высокопрочная 1500
Проволока рояльная 3100

Кость прочнее бетона и кирпича. Сухожилие — примерно на уровне пеньковой верёвки. Волос обгоняет низкие марки чугуна. Паутину я сюда не ставлю: современные обзоры дают для паутинного волокна значения от 0,9 до 1,5 ГПа, и одна цифра «240 МПа» создала бы ложное впечатление.

Когда смотришь на эти предметы рядом, кажется, что разница очевидна. Но цифры в таблице говорят другое. Изображение сгенерировано нейросетью.
Когда смотришь на эти предметы рядом, кажется, что разница очевидна. Но цифры в таблице говорят другое. Изображение сгенерировано нейросетью.
Автор: flow Источник: flow.google.com

Почему тогда сталь кажется прочнее

Потому что у стали плотность 7,8 г/см³, а у кератина волоса — около 1,3. Если пересчитать на единицу массы, разрыв сокращается. По данным обзора 2020 года, удельная прочность кератиновых волокон — примерно 150-200 МПа/(г/см³). Для конструкционных стальных сплавов — порядка 250 МПа/(г/см³). Разрыв в полтора-два раза. Уже не пропасть. Природа не гонится за абсолютными цифрами. Она оптимизирует конструкцию при жёстких ограничениях по весу.

Прочность и жёсткость часто ставят рядом, будто это одно и то же. На деле это два разных параметра. Жёсткость показывает, насколько материал упирается деформации — это модуль Юнга. Чем он выше, тем меньше материал прогибается под нагрузкой. Прочность отвечает за предел — напряжение, после которого начинается разрушение. Одно может быть высоким, а другое низким, и наоборот.

Печенье не гнётся, но крошится от лёгкого нажима. Нейлон гнётся в дугу, а порвать его непросто. Сталь держит и форму, и нагрузку. Малиновое желе прогибается под собственным весом и разваливается от ложки. Два числа описывают поведение материала полнее, чем одно. Жёсткость говорит, как он будет вести себя до предела. Прочность — где этот предел.

Что с этим делать на практике

Бетон не армируют стальными прутьями просто так. Его прочность на растяжение — 4,1 МН/м². Этого мало. Сталь берёт на себя растягивающие нагрузки, бетон — сжимающие. Композит работает там, где монолит не выдерживает. То же и в природе. Кость — композит из минерала и коллагена. Волос — из кератина и липидов. Паутина — из белка с уникальной структурой. Каждый материал оптимизирован под свою задачу, а не под абсолютный рекорд прочности.

В 2011 году инженеры Имперского колледжа Лондона вместе с детской передачей Blue Peter проверили это экспериментально. Они сплели конструкцию из человеческих волос и подвесили на ней ведущего примерно в метре над землёй. Волосы выдержали. Одиночная прядь держит около 100 граммов. Пучок — много. В этом и разница между материалом и конструкцией.

Короткий вывод

Волос может быть прочнее некоторых марок чугуна. Но не потому, что природа создала чудо-материал. А потому, что мы привыкли судить о прочности по нагрузке, а не по напряжению. Разница между этими двумя понятиями — и есть ответ.

А ещё, я до сих пор не до конца понимаю, почему в школе этому не учат отдельно. А вы как думаете?

Изображение в превью:
Автор: flow
Источник: flow.google.com
Автор не входит в состав редакции iXBT.com (подробнее »)
Об авторе
Пишу о том, что сам посадил, построил или починил. Теорию оставлю другим. Верю, что лишь личный опыт даёт те самые правильные и нужные знания.

1 комментарий

j
не статья, а бессмысленный набор надерганных из интернета фактов

Добавить комментарий

Сейчас на главной

Новости

Публикации

Одна победа и четыре подиума: вспоминаем самые яркие моменты карьеры Эстебана Окона в Формуле-1

Эстебан Окон был досрочно уволен из американской команды «Хаас» и не имеет контракта на сезон 2027 года. Шансов найти место в Формуле-1 у французского гонщика немного, поэтому его карьера,...

Почему «Чёрную пятницу» назвали чёрной и при чём здесь полиция

В конце ноября магазины вывешивают объявления о «Чёрной пятнице» и обещают большие скидки. На распродажах предлагают телевизоры, одежду, мебель и почти всё остальное. Название у этого дня довольно...

Почему морозилку холодильника десятилетиями ставили сверху, а теперь опускают вниз

Многие помнят двухкамерный холодильник, у которого маленькая морозилка с шубой инея пряталась наверху за отдельной дверцей. У современных моделей морозильная камера снизу и состоит из выдвижных...

Зачем на монетах делают насечки? Как ребристый край защищал деньги от воров

Достаньте прямо сейчас из кармана или кошелька любую металлическую монету. Проведите ногтем по ее ребру. Чувствуете эти мелкие, ритмичные бороздки? Этот шершавый ободок в среде коллекционеров и...

Банкомат без банковской карты: как машина Barclays выдавала наличные в 1967 году

27 июня 1967 года перед отделением Barclays в лондонском Энфилде собралась толпа. В стене банка появилось устройство, похожее скорее на сейф с клавиатурой, чем на современный банкомат....