قوة نوعية

📅 آخر تحديث: ٣٠ يوليو ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٣٠ يوليو ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 3 صور
الموسوعة الحرة

القوة النوعية هي قوة المادة (أو العضلة) (القوة لكل وحدة مساحة عند الفشل) مقسومة على كثافتها . وتُعرف أيضًا بنسبة القوة إلى الوزن أو نسبة القوة/الوزن أو نسبة القوة إلى الكتلة . في تطبيقات الألياف أو المنسوجات، تُعدّ المتانة المقياس المعتاد للقوة النوعية. وحدة النظام الدولي للوحدات للقوة النوعية هي باسكال متر مكعب / كيلوجرام ، أو نيوتن متر/كيلوجرام ، وهي مكافئة بُعديًا لـ متر مربع /ثانية مربعة ، على الرغم من أن الصيغة الأخيرة نادرًا ما تُستخدم. للقوة النوعية نفس وحدات الطاقة النوعية ، وهي مرتبطة بأقصى طاقة دوران نوعية يمكن أن يمتلكها الجسم دون أن يتفكك بفعل قوة الطرد المركزي .

هناك طريقة أخرى لوصف قوة المادة، وهي طول الكسر ، المعروف أيضًا بطول الدعم الذاتي : وهو أقصى طول لعمود رأسي من المادة (بافتراض مقطع عرضي ثابت) يمكنه تحمل وزنه الذاتي عند دعمه من الأعلى فقط. في هذا القياس، يُعرَّف الوزن بأنه قوة الجاذبية على سطح الأرض ( الجاذبية القياسية ، 9.80665  م/ث² ) التي تؤثر على كامل طول المادة، دون أن تتناقص مع الارتفاع. يشيع استخدام هذا التعريف في تطبيقات الألياف أو المنسوجات المتخصصة.

تُعدّ الألياف ، مثل ألياف الكربون والألياف الزجاجية والبوليمرات المختلفة، من أكثر المواد ذات المقاومة النوعية العالية، وتُستخدم بكثرة في صناعة المواد المركبة (مثل ألياف الكربون والإيبوكسي ). وتُستخدم هذه المواد، إلى جانب مواد أخرى كالتيتانيوم والألومنيوم والمغنيسيوم وسبائك الصلب عالية المقاومة ، على نطاق واسع في صناعة الطيران والفضاء وغيرها من التطبيقات التي تُبرر فيها زيادة تكلفة المواد توفير الوزن.

لاحظ أن القوة والصلابة مفهومان مختلفان. وكلاهما مهم في تصميم هياكل فعالة وآمنة.

حسابات طول الكسر

ل=تيsزρ{\displaystyle L={\frac {T_{s}}{\mathbf {g} \rho }}}

حيث L هو الطول، و T s هي قوة الشد، و ρ هي الكثافة، و g هي تسارع الجاذبية الأرضية ( ≈ 9.8 م/ث 2 ). 

أمثلة

قوة الشد النوعية لمختلف المواد
مادةقوة الشد ( ميجا باسكال )الكثافة ( جم / سم³ )​القوة النوعية ( كيلو نيوتن · متر / كيلوغرام )طول الكسر ( كم )مصدر
أسمنت2-52.305.220.44
بولي أوكسي ميثيلين ؛ POM691.42494.95[ 1 ]
ممحاة150.9216.31.66
نحاس2208.9224.72.51
البولي بروبيلين ؛ PP25-400.9028–442.8–4.5[ 2 ]
(بولي) أكريلونيتريل-بوتادين-ستايرين ؛ ABS41-451.0539-43[ 3 ]
بولي إيثيلين تيريفثالات ؛ بوليستر؛ PET801.3–1.457–62[ 4 ]
سلك البيانو ؛ فولاذ ASTM 2281590–33407.8204–428[ 5 ]
حمض البوليلاكتيك ؛ بوليلاكتيد؛ PLA531.2443[ 6 ]
الفولاذ منخفض الكربون (AISI 1010)3657.8746.44.73[ 7 ]
الفولاذ المقاوم للصدأ (304)5058.0063.16.4[ 8 ]
فولاذ ماراجينج (18Ni(350))24508.2298.7829.7[ 9 ]
النحاس5808.5567.86.91[ 10 ]
نايلون781.1369.07.04[ 11 ]
التيتانيوم3444.51767.75[ 12 ]
فولاذ الكروم والموليبدينوم (4130)560–6707.8571–857.27–8.70[ 13 ] [ 14 ]
سبيكة الألومنيوم (6061-T6)3102.7011511.70[ 15 ]
بلوط900.78–0.69115–13012-13[ 16 ]
إنكونيل (X-750)12508.2815115.4[ 17 ]
سبيكة المغنيسيوم2751.7415816.1[ 18 ]
سبيكة الألومنيوم (7075-T6)5722.8120420.8[ 19 ]
خشب الصنوبر (الصنوبر الأبيض الشرقي الأمريكي)780.3522322.7[ 20 ]
سبيكة التيتانيوم ( بيتا سي )12504.8126026.5[ 21 ]
البينيت25007.8732132.4[ 22 ]
مواد مركبة خلوية قابلة للتجميع العكسي0.0730.0072101391035[ 23 ] [ 24 ]
المواد الميكانيكية الفائقة ذاتية البرمجة0.011170.01031084111[ 25 ]
خشب البلسا730.1452153.2[ 26 ]
مركب الكربون والإيبوكسي12401.5878580.0[ 27 ]
حرير العنكبوت14001.311069109
ألياف كربيد السيليكون34403.161088110[ 28 ]
خيوط أنابيب الكربون النانوية من ميرالون، سلسلة C13750.7–0.91100112[ 29 ]
الألياف الزجاجية34002.601307133[ 30 ]
ألياف البازلت48402.701790183[ 31 ]
شعيرات حديدية بسمك 1  ميكرومتر140007.871800183[ 22 ]
فيكتران29001.402071211[ 30 ]
ألياف الكربون (AS4)43001.752457250[ 30 ]
كيفلر36201.442514256[ 32 ]
داينيما ( UHMWPE )36000.973711378[ 33 ]
زيلون58001.543766384[ 34 ]
ألياف الكربون (Toray T1100G)70001.793911399[ 35 ]
أنابيب الكربون النانوية (انظر الملاحظة أدناه)620000.037–1.3446,268–غير متوفر4716–غير متوفر[ 36 ] [ 37 ]
أنبوب كربوني ضخم69000.11659,4836066[ 38 ]
الجرافين1305002.09062,4536366[ 39 ]
الحد الأساسي9 × 10 139.2 × 10 12[ 40 ]

البيانات الواردة في هذا الجدول مأخوذة من أفضل الحالات، وقد تم تحديدها لإعطاء رقم تقريبي.

ملاحظة: تتميز أنابيب الكربون النانوية متعددة الجدران بأعلى مقاومة شد لأي مادة تم قياسها حتى الآن، حيث أنتجتها المختبرات بقوة شد تبلغ 63 جيجا باسكال، [ 36 ] وهي لا تزال أقل بكثير من حدها النظري البالغ 300 جيجا باسكال. أما أول حبال من الأنابيب النانوية (  بطول 20 مم) التي نُشرت مقاومتها للشد (في عام 2000)، فقد بلغت مقاومتها 3.6 جيجا باسكال، وهي أيضًا أقل بكثير من حدها النظري. [ 41 ] وتختلف الكثافة باختلاف طريقة التصنيع، وأدنى قيمة لها هي 0.037 أو 0.55 (للمواد الصلبة). [ 37 ]

الحد الأساسي للقوة النوعية

يفرض شرط الطاقة الصفرية حدًا أساسيًا على المقاومة النوعية لأي مادة. [ 40 ] وتكون المقاومة النوعية محدودة بحيث لا تتجاوز c² ≈9 × 10¹³ كيلو نيوتن متر / كيلوغرام ، حيث  c هي سرعة الضوء . يتم تحقيق هذا الحد بواسطة خطوط المجال الكهربائي والمغناطيسي، وأنابيب التدفق في نظرية الكروموديناميكا الكمية ، والأوتار الأساسية التي تفترضها نظرية الأوتار .

المتانة (قوة النسيج)

المتانة هي المقياس المتعارف عليه لقوة الألياف أو الخيوط . تُعرَّف عادةً بأنها قوة الكسر القصوى للألياف ( بوحدات غرام -قوة) مقسومة على الدينير . ولأن الدينير هو مقياس للكثافة الخطية، فإن المتانة لا تُعتبر مقياسًا للقوة لكل وحدة مساحة، بل هي مقياس شبه عديم الأبعاد يُشابه القوة النوعية . [ 42 ] متانة1{\displaystyle 1}يتوافق مع:1ز⋅9.80665مs-21ز/9000م=9.80665مs-21/9000م=9.80665مs-29000م=88259.85م2s-2{\displaystyle {\frac {1{\rm {\,g}}\cdot 9.80665{\rm {\,ms^{-2}}}}{1{\rm {\,g}}/9000{\rm {\,m}}}}={\frac {9.80665{\rm {\,ms^{-2}}}}{1/9000{\rm {\,m}}}}=9.80665{\rm {\,ms^{-2}}}\,9000{\rm {\,m}}=88259.85{\rm {\,m^{2}s^{-2}}}} تم التعبير عن المثابرة في الغالب في التقرير بوحدة سنتي نيوتن/تكس.

انظر أيضاً

مراجع

  1. ↑ "أسيتال بولي أوكسي ميثيلين هوموبوليمر - POM" . AZoM.com . 30 أغسطس 2001. مؤرشف من الأصل في 22 يوليو 2020. تم الاطلاع عليه في 22 يوليو 2020 .
  2. ↑ "بولي بروبيلين - مصدر كتالوج إلكتروني - مورد مواد بحثية بكميات صغيرة - جودفيلو" . www.goodfellow.com . مؤرشف من الأصل بتاريخ 7 أغسطس 2018. تم الاطلاع عليه بتاريخ 24 أبريل 2017 .
  3. ↑ "بولي أكريلونيتريل بوتادين ستايرين - مصدر كتالوج إلكتروني - مورد مواد بحثية بكميات صغيرة - جودفيلو" . www.goodfellow.com . مؤرشف من الأصل بتاريخ 20 ديسمبر 2018. تم الاطلاع عليه بتاريخ 29 يوليو 2018 .
  4. ↑ "بولي إيثيلين تيريفثالات - مصدر كتالوج إلكتروني - مورد مواد بحثية بكميات صغيرة - جودفيلو" . www.goodfellow.com . مؤرشف من الأصل بتاريخ 17 أبريل 2019. تم الاطلاع عليه بتاريخ 29 يوليو 2018 .
  5. ↑ "فولاذ ASTM A228 (UNS K08500)" . www.matweb.com . مؤرشف من الأصل بتاريخ 19 يناير 2019. تم الاطلاع عليه بتاريخ 17 يناير 2019 .
  6. ↑ "حمض البوليلاكتيك - بوليمر حيوي - مصدر كتالوج إلكتروني - مورد مواد بحثية بكميات صغيرة - جودفيلو" . www.goodfellow.com . مؤرشف من الأصل بتاريخ 29-07-2018 . تم الاطلاع عليه بتاريخ 29-07-2018 .
  7. ↑ "فولاذ AISI 1010، مسحوب على البارد" . matweb.com . مؤرشف من الأصل بتاريخ 18-04-2018 . تم الاطلاع عليه بتاريخ 20-10-2015 .
  8. ↑ "ورقة بيانات مواد ASM" . asm.matweb.com . مؤرشفة من الأصل بتاريخ 2018-10-01 . تم الاطلاع عليها بتاريخ 2015-10-20 .
  9. ↑ "ورقة بيانات ماراجينج لشركة SSA" . matmatch.com/learn/material/maraging-steel .
  10. ↑ "خصائص سبائك النحاس" . roymech.co.uk . مؤرشف من الأصل بتاريخ 30 مارس 2019. تم الاطلاع عليه بتاريخ 17 أبريل 2006 .
  11. ↑ "بولي أميد - نايلون 6 - مصدر كتالوج إلكتروني - مورد مواد بحثية بكميات صغيرة - جودفيلو" . www.goodfellow.com . مؤرشف من الأصل بتاريخ 17 أبريل 2019. تم الاطلاع عليه بتاريخ 24 أبريل 2017 .
  12. ↑ "ورقة بيانات مواد ASM" . asm.matweb.com . مؤرشفة من الأصل بتاريخ 22-03-2019 . تم الاطلاع عليها بتاريخ 14-11-2016 .
  13. ↑ "ورقة بيانات مواد ASM" . asm.matweb.com . مؤرشفة من الأصل بتاريخ 2019-04-06 . تم الاطلاع عليها بتاريخ 2016-08-18 .
  14. ↑ "ورقة بيانات مواد ASM" . asm.matweb.com . مؤرشفة من الأصل بتاريخ 15-03-2012 . تم الاطلاع عليها بتاريخ 18-08-2016 .
  15. ↑ "ورقة بيانات مواد ASM" . asm.matweb.com . مؤرشفة من الأصل بتاريخ 22-10-2018 . تم الاطلاع عليها بتاريخ 18-08-2016 .
  16. ↑ "البيانات البيئية: خشب البلوط" . مؤرشف من الأصل في 9 أكتوبر 2007. تم الاطلاع عليه في 17 أبريل 2006 .{{cite web}}: CS1 maint: bot: حالة عنوان URL الأصلي غير معروفة ( رابط )
  17. ↑ "ورقة بيانات مواد ASM" . asm.matweb.com . مؤرشفة من الأصل بتاريخ 2018-10-04 . تم الاطلاع عليها بتاريخ 2015-10-20 .
  18. ↑ "إي فوندا: الخصائص النموذجية لسبائك المغنيسيوم" . www.efunda.com . مؤرشف من الأصل بتاريخ 30 يناير 2020. تم الاطلاع عليه بتاريخ 1 أكتوبر 2021 .
  19. ↑ "ورقة بيانات مواد ASM" . asm.matweb.com . مؤرشفة من الأصل بتاريخ 16-10-2018 . تم الاطلاع عليها بتاريخ 20-10-2015 .
  20. ↑ "خشب الصنوبر الأبيض الشرقي الأمريكي" . www.matweb.com . مؤرشف من الأصل بتاريخ 2019-12-08 . تم الاطلاع عليه بتاريخ 2019-12-08 .
  21. ↑ "ورقة بيانات مواد AZo" . azom.com . 11 فبراير 2003. مؤرشفة من الأصل في 23 يونيو 2017. تم الاطلاع عليها في 14 نوفمبر 2016 .
  22. 1 2 المحاضرة التذكارية الثانية والخمسون لهاتفيلد: "قطع كبيرة من الفولاذ شديد الصلابة" بقلم إتش كيه دي إتش بهاديشيا 2005. على archive.is [ تمت إزالة الرابط ]
  23. ↑ "المكعبات الشبيهة بالألعاب تُصنع منها هياكل خفيفة الوزن وقوية" . 16-08-2013 . تم الاطلاع عليه بتاريخ 21-03-2024 .
  24. ↑ شيدلر، توبياس أ.؛ جاكوبسن، آلان ج.؛ كارتر، ويليام ب. (13 سبتمبر 2013). "نحو مواد أخف وزنًا وأكثر صلابة" . مجلة ساينس . 341 (6151): 1181-1182 . Bibcode : 2013Sci...341.1181S . doi : 10.1126/science.1243996 . ISSN 0036-8075 . PMID 24031005 .  
  25. ↑ كريوكو، جاك (2024-02-08). "بناء روبوتات لاستكشاف الفضاء "عديم الكتلة"" . آرس تكنيكا . تم الاسترجاع في 2024-03-21 .
  26. ↑ "MatWeb – مصدر معلومات المواد عبر الإنترنت" . matweb.com . مؤرشف من الأصل بتاريخ 2015-04-02 . تم الاطلاع عليه بتاريخ 2009-06-29 .
  27. ↑ موسوعة ماكجرو هيل للعلوم والتكنولوجيا، الطبعة الثامنة، © 1997، المجلد 1، صفحة 375
  28. ↑ "ألياف كربيد السيليكون من شركة Specialty Materials, Inc SCS" . مؤرشف من الأصل بتاريخ 2018-04-04 . تم الاطلاع عليه بتاريخ 2006-04-17 .
  29. ↑ شركة نانوكومب تكنولوجيز، "خيوط ميرالون" (ملف PDF) . مؤرشف (ملف PDF) من الأصل بتاريخ 20 ديسمبر 2018. تم الاطلاع عليه بتاريخ 19 ديسمبر 2018 .
  30. 1 2 3 "فيكتران" . شركة فيكتران فايبر. مؤرشف من الأصل بتاريخ 2019-07-08 . تم الاطلاع عليه بتاريخ 2017-06-12 .
  31. ↑ "RWcarbon.com - المصدر الأمثل لقطع غيار BMW ومرسيدس المصنوعة من ألياف الكربون" . rwcarbon.com . مؤرشف من الأصل بتاريخ 3 مايو 2019. تم الاطلاع عليه بتاريخ 1 أكتوبر 2021 .
  32. ↑ "مجموعة شبكة المواد المركبة في البناء: مقدمة عن المواد المركبة البوليمرية المقواة بالألياف" . مؤرشف من الأصل في 18 يناير 2006. تم الاطلاع عليه في 17 أبريل 2006 .{{cite web}}: CS1 maint: bot: حالة عنوان URL الأصلي غير معروفة ( رابط )
  33. ↑ "صحيفة حقائق داينيما" . DSM . 1 يناير 2008. مؤرشفة من الأصل في 8 أغسطس 2019. تم الاطلاع عليها في 23 مايو 2016 .
  34. ↑ شركة تويوبو المحدودة "ザイロン®(PBO 繊維)技術資料 (2005)" (PDF) . مؤرشفة من الأصلي (تحميل مجاني بصيغة PDF) بتاريخ 26-04-2012.
  35. ↑ شركة توراي للمواد المركبة الأمريكية المحدودة. "T1100S، ألياف كربونية متوسطة المعامل" (تنزيل مجاني بصيغة PDF) . مؤرشف (PDF) من الأصل بتاريخ 13 يوليو 2021. تم الاطلاع عليه بتاريخ 29 يونيو 2021 .{{cite web}}: صيانة CS1: أسماء متعددة: قائمة المؤلفين ( رابط )
  36. يو ، مين-فينغ؛ لوري، أوليغ؛ داير، مارك جيه؛ مولوني، كاترينا؛ كيلي، توماس إف؛ روف، رودني إس. (28 يناير 2000). "قوة وآلية كسر الأنابيب النانوية الكربونية متعددة الجدران تحت تأثير الشد" (ملف PDF) . مجلة ساينس . 287 (5453): 637-640 . Bibcode : 2000Sci...287..637Y . doi : 10.1126/science.287.5453.637 . PMID 10649994. S2CID 10758240. مؤرشف من النسخة الأصلية (ملف PDF) في 4 مارس 2011.  
  37. 1 2 ك. هاتا (2007). "من توليف أنابيب الكربون النانوية عالي الكفاءة والخالي من الشوائب إلى غابات أنابيب الكربون النانوية ذات الجدران المزدوجة، والمواد الصلبة لأنابيب الكربون النانوية، والمكثفات الفائقة" (ملف PDF) . في: رازغي، مانيجه؛ براون، غيل ج. (محرران). من توليف أنابيب الكربون النانوية عالي الكفاءة والخالي من الشوائب إلى غابات أنابيب الكربون النانوية ذات الجدران المزدوجة، والمواد الصلبة لأنابيب الكربون النانوية، والمكثفات الفائقة . الاستشعار الكمي وأجهزة النانو الضوئية IV. المجلد 6479. الصفحات 64791L. doi : 10.1117/12.716279 . S2CID 136421231. مؤرشف من الأصل في 14 ديسمبر 2014. تم الاسترجاع في 2 ديسمبر 2009 .   
  38. ↑ بنغ، هـ.؛ تشين، د.؛ وآخرون، هوانغ جيه واي؛ وآخرون (2008). "أنابيب كربونية ضخمة قوية ومرنة بجدران من مسامات كبيرة مستطيلة". مجلة Physical Review Letters ، 101 (14)، 145501. Bibcode : 2008PhRvL.101n5501P . doi : 10.1103/PhysRevLett.101.145501 . PMID: 18851539 .  
  39. ↑ "الحائزون على جائزة نوبل في الفيزياء لعام 2010" (ملف PDF) . nobelprize.org. مؤرشف (ملف PDF) من الأصل بتاريخ 1 يوليو 2018. تم الاطلاع عليه بتاريخ 28 مارس 2019 .
  40. براون ، آدم ر . (2013). " قوة الشد واستخراج الثقوب السوداء". رسائل المراجعة الفيزيائية . 111 (21) 211301. arXiv : 1207.3342 . Bibcode : 2013PhRvL.111u1301B . doi : 10.1103/PhysRevLett.111.211301 . PMID 24313473. S2CID 16394667 .  
  41. ↑ لي، ف.؛ تشنغ، هـ.م.؛ باي، س.؛ سو، ج.؛ دريسلهاوس، م.س. (2000). "قوة الشد لأنابيب الكربون النانوية أحادية الجدار مقاسة مباشرة من حبالها المجهرية" . رسائل الفيزياء التطبيقية . 77 (20): 3161-3163 . Bibcode : 2000ApPhL..77.3161L . doi : 10.1063/1.1324984 .
  42. ↑ رودريغيز، فرديناند (1989). مبادئ أنظمة البوليمر ( الطبعة الثالثة). نيويورك: دار نشر هيمسفير. ص 282. ISBN   978-0-89116-176-9. OCLC 19122722 .