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Erklären Sie, was duktil Möbel bedeutet

Letzte Aktualisierung: 29. Januar 2019. Warum zerbrechen Kunststofflineale, wenn Sie sie biegen, während sich Metalllineale einfach biegen? Wie kommt es, dass Sie eine Büroklammer zwei- oder dreimal drehen können, ohne dass sie bricht, aber nicht zwanzig oder dreißig Mal?

Warum rosten manche Autos schneller als andere? Wie überleben Astronauten im Weltraum, ohne von der Sonne gekocht zu werden? Dies sind Fragen, die den Geist von Materialwissenschaftlern umkreisen - wahrscheinlich einige der wichtigsten Menschen auf der Erde. Warum sind sie wichtig? Denn von dem Moment an, in dem Sie von einem Wecker geweckt werden, der um einen winzigen Kristall aus Keramikquarz herum gebaut ist, bis zu dem Zeitpunkt, an dem Sie auf Baumwoll- oder Kunstfaserplatten schlafen gehen, handelt es sich bei jeder einzelnen Sache um Materialien der einen oder anderen Art.

Könnten wir ohne Materialien überleben? Wenn Sie sich daran erinnern, dass Materialien alles von der Kleidung und dem Essen bis zur Energie, die wir zum Kochen und Warmhalten verwenden, liefern, ist es offensichtlich, dass zivilisiertes menschliches Leben ohne sie nicht möglich ist. Alles am richtigen Ort: Alle diese Alltagsgegenstände bestehen aus verschiedenen Materialien, die jeweils ihrem Zweck entsprechen. Schwamm nimmt Wasser hervorragend auf, Schnur lässt sich flexibel um Dinge wickeln, Nylon stellt hygienische Zahnbürsten her, die eine Weile halten, und Batterien sind mit Chemikalien gefüllt, die Energie speichern können.

Machen Sie eines dieser Objekte aus einigen anderen Materialien und sie würden nicht so gut funktionieren - wenn überhaupt. In der Wissenschaft geht es darum, Beobachtungen zu machen und Experimente durchzuführen, um Theorien darüber zu bilden und zu testen, wie unsere Welt funktioniert. Technologie bedeutet, die Wissenschaft auf praktische Weise zu nutzen, um alltägliche Probleme zu lösen.

Materialien sind fast per Definition technologisch: Dennoch gibt es so gut wie kein "nutzloses Material" - und selbst einige der seltsamsten Materialien, die in Laboratorien erfunden wurden und anfangs ziemlich nutzlos erschienen, haben sich später oft als erstaunlich anwendbar erwiesen.

Materialunterschied: Gewöhnliches Glas ist viel zu schwach und spröde, um es auf einem Telefon zu verwenden, während gehärtetes Glas zu dick und schwer ist. Was wäre, wenn wir leichtes, aber zähes Glas herstellen könnten, das stark genug ist, um alltägliche Stöße und Kratzer zu überstehen? Ursprünglich Chemcor genannt und 1962 von Corning als flaches Sicherheitsglas für Windschutzscheiben entwickelt, konnte es keinen kommerziellen Erfolg erzielen, bis Mobiltelefone mit Touchscreen über 40 Jahre später damit begannen.

Was früher so etwas wie ein Blindgänger war, ist jetzt eines der lukrativsten Produkte von Corning! Was meinen wir dann mit Materialwissenschaft? Von Stein und Bronze über Stahl bis hin zu Beton sind Materialien für einen bestimmten Zweck nützlich, da sie sich unter bestimmten Bedingungen auf bestimmte Weise verhalten: Das Verständnis dieser Eigenschaften ist das, worum es in der Materialwissenschaft geht. Unsere moderne Zeit unterscheidet sich von früheren Perioden der Geschichte darin, Werkzeuge zu haben, mit denen wir Materialien auf den Kopf stellen können: So wie die Wissenschaft die Grundlagen für die Technologie bildet, hilft uns die Materialwissenschaft, die innere Struktur von Materialien zu verstehen, die Materialtechnologie voranzutreiben und Materialien zu entwickeln, die sind in verschiedenen Situationen nützlich.

Schauen Sie sich in dem Raum um, in dem Sie sich gerade befinden, und listen Sie schnell die Materialien auf, die Sie sehen können. Was fällt ihnen auf? Sie können wahrscheinlich Metalle, Hölzer verschiedener Art, Glasfenster und bunte Kunststoffe sowie Polstermöbel in Teppichen, Kissen und natürlich die Kleidung sehen, die Sie tragen.

Einige der subtileren Materialien wie Verbundwerkstoffe, im Allgemeinen Keramik oder Kunststoffe in Kombination mit anderen Materialien, Laminatverbundwerkstoffe aus miteinander verbundenen flachen Blechen und Legierungsmetalle, die mit anderen Metallen und Nichtmetallen gemischt sind, sind möglicherweise nicht zu erkennen. Das richtige Material Was fällt Ihnen an den Materialien um Sie herum auf? Für alles, was wir tun müssen, haben wir Materialien gefunden, die für den Job sehr gut und für andere Jobs oft sehr schlecht geeignet sind.

Daher wählen wir in Gebäuden Materialien, die hart, stark, langlebig, wasserdicht und wärmespeichernd sind. Wenn es um Möbel geht, bevorzugen wir ganz andere Materialien, die weich, flexibel, farbenfroh und relativ strapazierfähig sind.

Obwohl einige Materialien viele Verwendungszwecke haben und es oft möglich ist, ein Material gegen ein anderes auszutauschen, ist es schwer vorstellbar, dass ein Haus aus Wolle oder Kleidung aus Glas besteht! Baumaterialien wie die stahlgrauen Balken, der weiße Betonboden und die rotbraunen Ziegelblöcke, die Sie hier sehen, sollen die Kräfte des Gebäudes ausgleichen, müssen aber auch dem Wetter standhalten, normalerweise über einen Zeitraum von Jahrzehnten - oder sogar länger -. mit so wenig Wartung wie möglich.

Abgesehen von Textilien, nach welchen Eigenschaften suchen wir in alltäglichen Materialien? Denken Sie an die Materialien, die wir in Gebäuden und Strukturen verwenden. Glas, Eisen, Holz und Kunststoffe sind im Allgemeinen Feststoffe, aber in Gebäuden erledigen sie unterschiedliche Aufgaben und verhalten sich sehr unterschiedlich.

Die wichtigste Überlegung ist die Art und Weise, wie ein Material auf Kräfte reagiert, die als mechanische Eigenschaften bekannt sind. Baumaterialien müssen verschiedenen Arten von Kräften standhalten, die sie zusammendrücken, sie komprimieren, dehnen, spannen oder verdrehen.

Die meisten Gebäude müssen kaum mehr tun, als der Schwerkraft standzuhalten. Einige müssen für extremere Kräfte wie Erdbeben und Hurrikane ausgelegt sein. Mechanische Eigenschaften sind Teil der physikalischen Eigenschaften eines Materials. Andere physikalische Eigenschaften sind, ob Materialien Wärme und Elektrizität leiten, ob sie Licht durchlassen und wie sie altern oder wie rosten sie wie Eisen, verrotten wie Holz oder zersetzen sich im Sonnenlicht wie bestimmte Kunststoffe?

Mechanische Eigenschaften sind auch bei den Materialien wichtig, die wir für den Transport verwenden: Transportmaterialien veranschaulichen jedoch ein weiteres wirklich wichtiges Prinzip bei der Auswahl und Verwendung von Materialien: Sie könnten ein Flugzeug aus superstarkem Stahl herstellen, aber dann könnte es zu schwer sein, um es aufzunehmen aus, oder es könnte zu viel Kraftstoff verbrauchen, um sparsam zu sein. Aus diesem Grund verwenden Luft- und Raumfahrtdesigner ebenso wahrscheinlich starke, aber leichte Legierungen aus Aluminium oder Titan sowie Verbundwerkstoffe.

Obwohl Autos traditionell aus Metallen hergestellt werden, bestehen einige aus Verbundwerkstoffen wie Glasfaser, die einen Kompromiss zwischen Festigkeit, Gewicht und Kosten bieten, sowie aus leichteren Aluminium- und Titanlegierungen. Holz oder Metall? Sprungbretter Federbretter wurden früher aus Holz hergestellt; Jetzt bestehen sie eher aus Aluminiummetall.

Es ist leichter, billiger, federnder und verrottet nicht, wenn es nass wird. Das Gleiche gilt für jede andere Verwendung von Materialien: Benzin ist eine hervorragende Möglichkeit, ein Auto anzutreiben, da es pro Gewichtseinheit mehr Energie enthält als fast jede andere weit verbreitete Substanz - aber es verursacht Luftverschmutzung und ist daher relativ teuer Es ist ein weiterer Fall von "Materialkompromissen". Oder wir könnten sie aus erstaunlich bequemer Baumwolle und Wolle herstellen, aber dann würden sie nicht sehr lange halten.

Stattdessen verwenden wir haltbare, flexible und relativ bequeme Materialien wie Leder und Kunststoff - normalerweise ein guter Kompromiss zwischen Komfort, Kosten und Haltbarkeit. In unserer modernen Zeit der Düsenflugzeuge und Containerschiffe ist es einfach, Materialien innerhalb weniger Tage oder Wochen überall auf der Welt zu transportieren. Theoretisch bedeutet dies, dass wir jedes Material, das wir verwenden möchten, überall dort verwenden können, wo wir es verwenden möchten. Historisch war das nicht immer der Fall.

Obwohl einige Materialien wie Holz, Eisen und Kohle auf der ganzen Welt verbreitet sind, sind andere wie das Öl, das immer noch einen Großteil des Planeten antreibt, das Lithium, das wir in wiederaufladbaren Batterien verwenden, und das Uran, das zum Betreiben von Kernkraftwerken verwendet wird, nur verfügbar an bestimmten Orten. Die enorme Vielfalt an Baustilen und Architekturen auf der ganzen Welt ist das beste Beispiel dafür, wie Menschen lokale Materialien verwendet haben, um ihre Probleme zu lösen.

In Skandinavien, wo Holz billig und leicht verfügbar ist, gibt es viele Fachwerkhäuser. In asiatischen Ländern wie Vietnam wird Bambus häufig zur Herstellung von Brücken und Häusern bis hin zu Möbeln und Wasserleitungen verwendet.

Die Herstellung von Dingen aus Kunststoffen ist der entgegengesetzte Ansatz zur Verwendung lokaler Materialien. Wir können synthetische Kunststoffe in Chemiefabriken überall auf der Welt herstellen.

Deshalb fühlen sich moderne Kunststoffobjekte kulturell und geografisch neutral: Wenn wir wissenschaftlich über die innere Struktur von Materialien nachdenken, können wir besser verstehen, warum sie sich so verhalten, wie sie es tun ...

Die wiederholten Spannungen und Dehnungen führen zu einer sogenannten Metallermüdung, die auftritt, wenn winzige Risse in einem Metall allmählich zu größeren werden, bis das Ganze in zwei Hälften zerbricht. Wenn Sie eine Büroklammer zuerst in die eine und dann in die andere Richtung biegen, unterliegen Sie riesigen Verformungsänderungen in der Form, die viel größer sind als die, die die meisten alltäglichen Metallgegenstände erfahren. Kautschuk wird aus langkettigen Molekülen hergestellt, die als Polymere bezeichnet werden und normalerweise alle zerkleinert werden.

Wenn Sie ein Gummiband dehnen, richten Sie die Moleküle gerade und ziehen sie auseinander, damit der Gummi länger wird. Wenn Sie loslassen, helfen Vernetzungsbindungen zwischen den Polymeren, sie wieder in Position zu bringen. Dies ist es, was ein elastisches Material wie Gummi zu einem Material macht, das zu seiner ursprünglichen Form und Größe zurückkehrt, und sich von einem Kunststoffmaterial unterscheidet, das seine Form ändert, aber nicht genau so zurückkehrt, wie es war, was sowohl die meisten Metalle als auch die meisten Kunststoffe umfasst.

Materialien in Bewegung: Elastische Materialien ändern ihre Form, kehren jedoch zu ihrer ursprünglichen Form zurück. Kunststoffe ändern ihre Form, gehen aber nicht wieder zurück. Aus diesem Grund finden Sie Metalle, die oft als "Kunststoff" bezeichnet werden. Metalle sind im Allgemeinen Feststoffe und haben im Inneren eine regelmäßige kristalline Anordnung von Atomen, wie Ping-Pong-Kugeln, die in eine Schachtel gepackt sind. Einige der Elektronen aus den Atomen können sich frei bewegen in der gesamten Kristallstruktur, die Wärme und Elektrizität durch sie hindurchführt.

In Kunststoffen gibt es keine freien Elektronen, die sich durch die Struktur bewegen und Elektrizität transportieren könnten. Dies erklärt auch, warum sich Metalle kalt anfühlen, Kunststoffe sich jedoch normalerweise warm anfühlen, selbst wenn sie die gleiche Temperatur haben. Ein Metall leitet Wärme ähnlich wie Elektrizität. Wenn Sie es berühren, entzieht es Ihrem Körper Wärme und Ihre Hand fühlt sich kalt an. Kunststoffe haben keine freien Elektronen, um Wärme zu leiten, so dass sie Ihrem Körper nicht so effizient Wärme entziehen. Deshalb fühlt sich ein Stück Plastik wärmer an als ein Stück Metall, selbst wenn es die gleiche Temperatur hat.

Holz ist ein Beispiel für ein anisotropes Material, das in verschiedenen Richtungen unterschiedliche mechanische Eigenschaften aufweist. Bäume sind viel stärker, wenn Sie eine Kraft in die gleiche Richtung wie das Korn vertikal auf und ab des Stammes ausüben als horizontal über das Korn durch den Stamm - einfach, weil sie auf diese Weise wachsen.

Deshalb funktioniert Holz bei vertikalen Stangen unter Druck besser als bei horizontalen Balken und Brettern, wenn es unter Spannung steht.

Es ist viel einfacher, Holz parallel zur Maserung zu sägen oder zu meißeln, als senkrecht dazu, was uns das beliebte Sprichwort über knifflige Dinge "gegen die Maserung" gibt. Testen, Testen! Materialien können jederzeit versagen, was katastrophale Folgen haben kann, wenn Sie sind Teil eines Flugzeugtriebwerks. Aber wie testet man Materialien auf Risse, die man nicht sehen kann?

Hier wäscht ein Ingenieur ein Flugzeugteil in einem magnetischen, fluoreszierenden Farbstoff und strahlt dann ultraviolettes Licht darauf. Der Farbstoff lagert sich in eventuellen Rissen ab, die sich dann im Licht zeigen. Ein laminiertes Material wie ein Holzboden besteht aus flachen Platten aus verschiedenen Materialien, die in Schichten mit Klebstoffen miteinander verbunden sind. Eine typische Untersetzer-Tropfmatte auf einem Couchtisch hat möglicherweise eine dünne Zellophanoberseite, dann ein dünnes Stück Papier oder eine Karte, die mit einem Design bedruckt ist, und eine dickere Korkbasis.

Laminate zerfallen aus zwei häufigen Gründen dort, wo sich ein Material mit einem anderen verbindet. Erstens bewirkt Hitze, dass sich verschiedene Materialien um unterschiedliche Mengen ausdehnen, so dass sich beim Erwärmen eines Laminats ein Material stärker ausdehnen kann als ein anderes, wodurch der Klebstoff gerissen wird und die Schichten auseinanderfallen.

Zweitens kann Wasser zwischen die Schichten eindringen, den Klebstoff schwächen oder in eine der Schichten einweichen und ihn stärker ausdehnen als die anderen, wodurch er erneut auseinander gerissen wird. Uns stehen Tausende von Materialien zur Verfügung. Es gibt zum Beispiel fast 100 natürlich vorkommende chemische Elemente, und wir können diese auf nahezu unendlich viele Arten kombinieren, um Verbindungen herzustellen. Wie verstehen wir alle Materialien in unserer Welt?

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