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Proprietà meccaniche di materiali solidi

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Peter Forster
a cura di Daniela Rüegg

Ho stilato questa pagina grazie a una richiesta di Sylva riguardo schiarimenti sull'abrasione dello smalto dei denti causata da particelle di minerali presenti nei dentifrici.

Per spiegarlo ho dovuto usare molti termini specifici che ho raggruppato ampliando anche il tema con una breve introduzione.
Spero che possa servire a chi che intende rinfrescare le proprie relative conoscenze scolastiche.


1.  Peso specifico, densità relativa

it.Wikipedia: Peso specifico Densità relativa (gravità specifica)


Peso specifico
(cliccare per renderlo leggibile).

Il peso specifico di un materiale è il suo peso P in relazione al suo volume V. Comunemente è usato come sinonimo di densità e per questo si trova molto spesso indicato come g/cm3 o kg/litro o kg/dm3. In termini più "di fisica" si chiama anche densità relativa o gravità relativa.

Nella tabella di fianco si trova il peso specifico di materiali, dai più leggeri ai più pesanti. Per questo motivo li ho mensionati in densità in kg/m3. Il calcolo per arrivare ai kg/l o g/cm3 si fa dividendo per mille /1000.

Peso specifico Ps = Peso P / Volume V
Esempi: 1 litro di acqua pesa 1 kg → Ps = 1 / 1 = 1 kg/l
27 centimetro cubo di ferro pesano 212.8 gr → Ps = 212.8 / 27 = 7.88 g/cm'-3
-'



Perché un pezzo di legno galleggia nell'acqua?
  • la prima causa è perché l'acqua è un liquido abbastanza duttile da farsi penetrare da un solido. Se fosse ghiacciato e quindi duro non sarebbe possibile.
  • la seconda è perchè il peso specifico del legno (abete) è ca. 0.7 gr/cm3 mentre quello dell'acqua è di ca. 1 gr/cm3.

Il legno affonda fino al punto in cui il peso dell'acqua spostata è uguale al suo peso e in questa posizione galleggia. La posizione è calcolabile dalla relazione dei pesi specifici:
0.7 gr/cm3 / 1gr/cm3 = 0.7 = 70%: quando il 70% del volume del legno è immerso, il legno galleggia, perché in questa situazione il peso dell'acqua spostata corrisponde esattamente al peso del pezzo di legno. Facile,vero?.

Altro esempio: il peso specifico del ghiaccio a 0°C è di 0.917gr/cm3 mentre quello dell'acqua marina è intorno a 4°C è di 1.03gr/cm3 → 0.917/1.03= 0.89 = 89%: un iceberg fa emergere dall'acqua solo l'11% del suo volume totale (e forse un pò di più, dovuto probabilmente a inclusioni di bolle d'aria nel ghiaccio) .


Il nostro biotopo è verticalmente organizzato secondo la densità rispetto al peso specifico dei materiali coinvolti:
  • l'acqua galleggia sulla terra
  • l'aria galleggia su acqua e terra
  • le nuvole galeggiano nell'aria
  • il legno galleggia sull'acqua
  • i sassi affondano dell'acqua
  • i sassi nè galleggiano nè affondano nella terra perché tutte e due sono solidi e la loro durezza evita che uno penetri l'altro mentre
  • l'aria e l'acqua invece sono "plastici" al punto di permettere una loro penetrazione a solidi con una densità superiore.

Tutto questo grazie ai diversi pesi specifici / densità dei materiali coinvolti. Combinato con l'energia solare tiene in funzione l'enorme motore del tempo e del clima.

2.  Durezza


Durezza

La durezza di un materiale è un valore numerico che indica le caratteristiche di deformabilità plastica di un materiale. È definita come la resistenza alla deformazione permanente.

La "deformabilità plastica" di un materiale oggigiorno la si misura premendo con una definita forza una punta di un materiale molto duro (zaffiro o diamante) contro il materiale, misurandone poi l'impronta.

Secondo la forma della punta e il procedimento applicato si distinguono diverse scale come quella di Brinell, Vickers, Rockwell e la scala della "Durezza universale" nonché le scale di Martens e di Shore.


Scale di durezza

Il primo a misurare la durezza fu Friedrich Mohs nel 1812 :
La Scala di Mohs ordina la tenacità con cui le sostanze solide, ovvero le singole particelle costituenti, sono tenute unite tra di loro. Alla tenacità corrisponde per diretta proporzione la durezza di un materiale. Quando un corpo è più duro di un altro riesce a scalfirlo. La scala di durezza propone 10 gradi ove il minerale rappresenta un grado che scalfisce quello che precede ed è scalfito da quello che segue.

Pro memoria: Prova di Mohs → scalfire un oggetto con un altro

3.  Duttilità e fragilità


Argilla

Plasticità ↔ Duttilità

La duttilità è una proprietà fisica della materia che indica, sotto carica, la capacità di un corpo o di un materiale di deformarsi prima di giungere a rottura, ovvero la capacità di sopportare deformazioni plastiche. Un corpo è tanto più duttile quanto maggiore è la deformazione raggiunta prima della rottura.

La duttilità può essere anche definita come la capacità di un materiale di essere ridotto in fili sottili, mentre analogamente la malleabilità è la capacità di un materiale di essere ridotto in lamine sottili. Il massimo esempio di malleabilità è la proprietà dell'oro che si può ridurre a lamine di pochi millesimi di millimetro.
Indicatori di duttilità sono l'allungamento percentuale e la restrizione percentuale.

I materiali che maggiormente godono di questa proprietà sono i metalli e le sostanze amorfe tenere come l'argilla, la pasta fresca del panettiere o il vetro caldo.

 


Vetro

Proprietà opposta alla duttilità è la fragilità, ovvero l'incapacità, sotto carica, di deformarsi e giungere ad improvvisa rottura ( detta anche rottura fragile).

Si nota che duttilità e fragilità sono opposte ma non dipendono tanto dal materiale stesso: l'argilla fresca è molto duttile ma dopo la cottura diventa fragile mentre il vetro riscaldato è molto duttile ma dopo il raffreddamento diventa altamente fragile.

4.  Elasticità e plasticità

it.Wikipedia: Elasticità meccanica Plasticità (fisica) tabelle engineerplant

4.1  Definizione e misure


Prova trazione:
curva tensione-deformazione.
Limite elastico (punto 3)

L' elasticità è la proprietà di un materiale di deformarsi sotto delle forze, ma di riacquistare poi la sua forma originale al rilascio. L'elasticità riguarda sia i materiali solidi che fluidi che gasosi.

Di solito si determina l'elasticità dei solidi per una prova a trazione o pressione oppure a flessione, misurando contemporaneamente la deformazione e la forza fino alla rottura del materiale.
I valori rilevati forniscono una funzione (curva) dalla quale si possono determinare sia le proprietà elastiche che le proprietà plastiche e alla fine la forza di rottura del materiale.

Pro memoria: elasticità → torna plasticità → rimane

4.2  Esempi


Modulo di elasticità
e tensione di rottura
per vari materiali

La tabella a fianco fa vedere le caratteristiche di elasticità e di resistenza alla rottura di molti materiali (per l'ingeniere la "plasticità" o duttilità si trovano tra i due dati).

Senza entrare in dettaglio conviene ricordarsi alcune esperienze quotidiane che spiegano meglio queste proprietà:

  • Un elastico si può tirare molto; lasciandolo andare torna alla lunghezza precedente ma se lo si tende oltre ad un certo punto si spacca: è molto elastico, poco plastico e non ha una grande resistenza alla tensione.
  • Un pezzo di plastilina o una pasta fresca di pane si possono allungare con poca forza; lasciandole andare non cambia molto:sono molto plastiche e poco elastiche.
  • Un pezzo di legno si può piegare abbastanza finché si rompe e se si smette prima che capiti e lo si lascia andare, torna quasi nella posizione di prima: è abbastanza elastico e resistente alla forza di frattura - almeno perpendicolarmente alle fibre: spaccando legna si nota la differenza: spaccandola lungo la fibra ci si sforza meno che spaccandola perpendicolare alla fibra.
  • un filo tessile o una corda perpendicolare alle direzione delle fibre ha una grandissima plasticità e anche una certa flessibilità, mentre nella direzione della fibra ha una grande resistenza alla tensione ma è poco elastica / plastica.
  • il ferro del fabbro fa resistenza al piegamento e fino a un certo punto torna nella posizione iniziale, ma poi si piega e rimane così: è elastico e plastico, resistente alla rottura e abbastanza duro.
  • una molla di acciaio temprata invece è dura,ha una grande elasticità ma poca plasticità e si rompe prima di lasciarsi deformare plasticamente.
  • il marmo pone una grande resistenza alla rottura e non si lascia deformare nè elasticamente nè plasticamente ma oltre a una certa tensione si rompe.

 

  • il vetro si rompe anche facilmente ma come materiale amorfo è dotato di una certa elasticità e anche di una certa plasticità: una lastra di vetro appoggiata su due sgabelli si deforma elasticamente in direzione della gravità e quando si aspetta abbastanza a lungo (anni) si nota che la deformazione è anche diventata plastica: il vetro non torna più nella posizione originale.

Questa proprietà del vetro la si nota di più in piccole dimensioni: le fibre di vetro sono altamente flessibili ma dopo un certo tempo mantengono la deformazione.

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4.3  Riassunto

Si vede che:


Gomma
  • delle sostanze amorfe (gomma, pasta fresca, ...) possono essere facilmente plastiche e/o elastiche e poco resistenti alla rottura (fragili come il vetro)

Ametista
  • mentre delle sostanze cristalline sono meno deformabili ma più resistenti alla rottura.

Amianto
  • i materiali fibrosi (legno, tessili, ossa, amianto, ...) assomigliano in una direzione alle sostanze amorfe e in un'altra alle sostanze cristalline.
  • I metalli secondo la loro struttura cristallina interna possono assomigliare più alle sostanze amorfe (piombo, stagno, oro, ...), alle sostanze cristalline (ghisa) o rappresentare uno sposalizio tra i due con grande deformabilità elastica e/o plastica e alta resistenza a tensioni in tutte le direzione (ferro da fabbro, acciaio, rame, ottone, bronzo, alluminio, ...).

Ferri medievali
microstruttura

Si nota anche che l'abbinamento di queste proprietà agli atomi o alle molecole di una sostanza è molto relativa: centra di più l'organizzazione di atomi e molecole nelle sovrastrutture amorfe, cristalline, fibrose e metalliche.

5.  Porosità e Fibrosità

it.Wikipedia: Porosità Fibra (tessile) Fibra


Pane

La porosità di un materiale è definita come il rapporto tra il volume dei vuoti (pori) ed il volume totale del materiale.


Styropor

Da essa dipendono le proprietà termiche, la resistenza meccanica, la capacità di assorbire liquidi ... .



Metallo
sinterizzato

La porosità è, inoltre, un parametro fondamentale in geotecnica per la classificazione delle rocce in base alle loro caratteristiche di permeabilità e per la determinazione del loro comportamento sotto carico nelle diverse condizioni di saturazione.

altri esempi: alimentari: pane, soufflée, formaggio, ... tecnica: sinterizzati, gomma schiuma, styropor, ...


Fibre di palma

La fibrosità di un materiale è una caratteristica importante, perché le fibre contenute hanno una grande resistenza a tensioni assiali combinate con una grande flessibilità laterale ma una resistenza minima alla pressione assiale.


Tendini e
ligamenti
Anche se nelle scienze fisiche e ingegneristiche non mi sono note delle definizioni esatte e caratteristiche quantitative, è appurato che in sostanze biologiche sono un fondamentale principio strutturale.

Tessili
Esempi:
  • mineralogia: amianto
  • fitologia: strutture fibrotiche di cellulosa in tutte le parti della pianta
  • zoologia: strutture del apparato locomotore come ossa, tendini, ligamenti,
  • artigianato e industria: tessile, corde, ... si basano completamente su strutture fibrose


6.  Rugosità

it.Wikipedia: Rugosità


La rugosità (o scabrosità) è una proprietà della superficie di un corpo, costituita da microimperfezioni geometriche normalmente presenti sulla superficie o anche risultanti da lavorazioni meccaniche; tali imperfezioni si presentano generalmente in forma di solchi o scalfitture di forma, profondità e direzione variabile.


La rugosità di una superficie può essere misurata mediante strumenti denominati rugosimetri. Il procedimento di misura della rugosità consiste nella registrazione del profilo della superficie ottenuto lungo una determinata linea di misura (o di scansione); tale profilo viene poi analizzato definendo un parametro numerico che costituisce la misura della rugosità.


Parte fondamentale del processo di calcolo dei vari parametri di rugosità è l'operazione di filtraggio che consente di ottenere una misura della sola qualità della superficie, depurata dagli effetti che gli errori di geometria del pezzo hanno sul profilo misurato.

La misura della rugosità Ra, espressa in micron millesimi di millimetro, è il valore medio aritmetico degli scostamenti del profilo reale della superficie rispetto alla linea media. Tale misura è riferita ad una lunghezza di base del profilo analizzato per evitare l'influenza di altri tipi di irregolarità.


7.  Abrasività

it.Wikipedia: Abrasione



Se due materiali si frizionano uno sull'altro con una certa forza, quello con la maggiore durezza e rugosità asporta dall' altro dei microtruccioli, erodendolo.

Le punte scalfiscono specialmente l'altro materiale anche se ha la stessa durezza. Per questo si spiega come un diamante si può smerigliare con polvere di diamante anche se tutti e due hanno la stessa durezza.

Il meccanismo si nota ovunque: in natura viene denominato erosione. Personalmente preferisco rierirmi a abrasione per dei processi puramente meccanici e a erosione per processi combinati meccanici / chimici o ignoti, di asportazione.

Esempi:


Abrasione
acquosa
  • l'acqua e i ghiacciai erodono i sassi ma in realtà sono le punte di microparticelle dure nell'acqua e il movimento tra i sassi quando i piccoli scorrono sopra i grandi.



Abrasione
eolica
  • il vento erode le rocce ma in realtà sono particelle di polvere molto dure (p.es. di quarzo) che fungono da smeriglia

Abrasione
dentale
  • lo smalto dei denti di animali (durezza ca. 5 Mohs) è sottoposto maggiormente ad abrasione da polveri dure(p.es. quarzo durezza ca. 7 Mohs) presenti nel loro mangime (nel mio paese si guardava in bocca al cavallo per stimare la sua età)

Usura biologica
  • le giunture di animali invece sotto condizioni normali non si consumano, perché tra una cartilagine e l'altra si trova un sottilissimo film di liquido sinoviale abbastanza viscoso che evita il contatto diretto tra le due superfici.

Per condizioni accidentali questo film può interrompersi per poco tempo e spezzare una particella di cartilagine.


Usura tecnica

Questa funge poi come un granello di "sabbia" nella giuntura ed è l'inizio di una continua abrasione che dà origine all' artrite.


Limare

Nell'artigianato e in tecnica, l'abrasione:

  • è temuta nella sua forma di usura e
  • indispensabile in tutti processi che richiedono abrasione, cioè asportazione di materiale come nello:
    • scalpire, segare, piallare, ...
    • limare, forare, tornire, fresare, ...
    • smerigliare, lucidare, ...

e in molti altri procedimenti.

In tutti questi procedimenti si nota che l'abrasione è un processo che coinvolge tutte e due i materiali: in uno c'è l'asportazione di materiale superfluo, nell'altro in compenso c^è l'usura da rispettare, e lo scalpello va affilato quando non "taglia" più.


scalpire

Segare

Il principio è: usare forza con le punte o dei fili duri di un attrezzo / materiale contro una sostanza meno dura.

Riassunto:

  • La capacità abrasiva di un materiale non è solo data dalla durezza del materiale ma altrettanto dalla sua rugosità a punte.
  • In materiali composti, la durezza del materiale può essere quasi nulla come nell'argilla.
  • Importante per l'abrasione è invece la maggiore durezza delle particelle minerali (anche piccolissime) che si trovano in sospensione nella pasta.
  • Se volutamente o per caso ci sono anche particelle dure (p.es. di quarzo)
    • nella pasta di lucidatura provocano esattamente l'effetto inteso mentre
    • nel dentificio a lungo andare possono provocare guai, perché non tolgono solo i resti alimentari ma una parte vitale del dente.

8.  Appendice

8.1  Commenti

alla pagina Galenotecnica / Proprietà meccaniche di materiali solidi: ev. cliccare sul titolo per stilare un commento.

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