อะไรจะเป็นคำอธิบายสำหรับการสังเกตนี้?
- ลวดทองแดงงอได้โดยไม่แตกและนำกระแสไฟฟ้าได้; ชามเซรามิกหักแต่ไม่มีการนำไฟฟ้า; ถุงพลาสติกยืดออกและละลายเหนือเทียน ทำไมวัสดุเหล่านี้ถึงมีพฤติกรรมแตกต่างกันมากขนาดนี้?
- เริ่มต้นด้วยการทำนาย ระบุปริมาณหรือลักษณะที่คุณจะเปรียบเทียบ แล้วตัดสินใจว่าหลักฐานอะไรที่จะแยกแยะคำอธิบายสองแบบได้
สร้างโมเดล
- โมเดลพันธะทำนาย คุณสมบัติทางมหภาค: วัสดุโลหะ มีไอออนบวกอยู่ในทะเลของอิเล็กตรอนที่เคลื่อนที่ได้ ทำให้สามารถนำไฟฟ้าและขึ้นรูปได้ง่าย จลกรูปแบบไอออนิกแข็งแต่เปราะและนำไฟฟ้าได้ก็ต่อเมื่อหลอมเหลวหรือละลาย สารเครือข่ายโควาลันต์ขนาดใหญ่มีจุดหลอมเหลวสูงมาก สารโมเลกุลง่ายและพอลิเมอร์หลอมเหลวที่อุณหภูมิต่ำ และสายโซ่พอลิเมอร์สามารถเลื่อนและยืดหยุ่นได้
- คอมโพสิต คือการรวมวัสดุเข้าด้วยกันเพื่อให้ผลิตภัณฑ์มีคุณสมบัติที่แต่ละส่วนไม่มีอยู่โดดเดี่ยว เช่น เส้นใยคาร์บอนในเรซิน การเลือกวัสดุคือการจับคู่คุณสมบัติที่คำนวณจากโมเดลเข้ากับข้อกำหนดการออกแบบ จากนั้นตรวจสอบปริมาณที่วัดได้เช่น ความแข็งแรง ความหนาแน่น และการนำไฟฟ้า
- คุณสมบัติทางมหภาค: คุณสมบัติที่วัดได้จากตัวอย่างวัสดุ เช่น ความแข็งแรงหรือการนำไฟฟ้า; คอมโพสิต: วัสดุที่ทำจากองค์ประกอบสองอย่างขึ้นไปwhose combined properties exceed the parts; วัสดุโลหะ: วัสดุที่มีไอออนโลหะยึดติดกันโดยอิเล็กตรอนที่เคลื่อนที่ได้
เลือกหลักฐานที่นำมาทดสอบได้
- ทดสอบโมเดลด้วยการวัดสิ่งที่มันทำนาย: งอและดึงตัวอย่างโลหะ ของแข็งไอออนิก และพอลิเมอร์ภายใต้เงื่อนไขเดียวกัน แล้วเปรียบเทียบการนำไฟฟ้าในสถานะของแข็งและหลอมเหลวเมื่อโรงเรียนอนุญาต โมเดลจะได้รับการสนับสนุนก็ต่อเมื่อคุณสมบัติที่สังเกตตรงกับพันธะในโครงสร้าง
- เปรียบเทียบวัสดุทางเลือกสำหรับการใช้งานหนึ่งๆ โดยใช้คุณสมบัติที่วัดได้ ไม่ใช่ชื่อ: โครงจักรยานต้องการความแข็งแรงต่อหน่วยมวลสูง หน้าต่างต้องการความโปร่งแสงและความทนทานต่อการขีดข่วน
เริ่มจากปริมาณที่ทราบแล้ว
- ระบุค่าที่ทราบและหน่วยของมัน เลือกความสัมพันธ์โดยพิจารณาว่าข้อสมมติฐานสอดคล้องกับเคสนี้ แล้วจัดรูปสมการก่อนแทนค่า
- ที่ทราบ: อะลูมิเนียมอัลลอยด์มีความแข็งแรง 300 MPa และความหนาแน่น 2.7 g/cm³; เหล็กมีความแข็งแรง 500 MPa และความหนาแน่น 7.8 g/cm³. การออกแบบต้องการความแข็งแรงต่อหน่วยมวล ดังนั้นคำนวณอัตราส่วน: อัลลอยด์ 300/2.7 ≈ 111 MPa ต่อ g/cm³; เหล็ก 500/7.8 ≈ 64 MPa ต่อ g/cm³. อัลลอยด์ให้ความแข็งแรงมากกว่าสำหรับมวลเท่ากัน จึงเหมาะสำหรับโครงน้ำหนักเบาแม้ว่าเหล็กจะมีความแข็งแรง absolu tสูงกว่าก็ตาม
ตัวอย่าง:
คอมโพสิตเส้นใยคาร์บอนมีความแข็งแรง 1,100 MPa ที่ความหนาแน่น 1.4 g/cm³. หาอัตราส่วนความแข็งแรงต่อความหนาแน่นและเปรียบเทียบกับอัลลอยด์ข้างต้น โดยใช้ลำดับขั้นตอนเดียวกัน: ปริมาณที่ทราบ → โมเดล → สมการ → การแทนค่า → หน่วยและการตีความ (คำตอบ: 1,100/1.4 ≈ 786 MPa ต่อ g/cm³ — ประมาณเจ็ดเท่าของอัลลอยด์ ซึ่งเป็นเหตุผลที่โครงแข่งใช้มันแม้จะมีราคาแพง)
ตรวจสอบข้อสรุปและขอบเขต
- อัตราส่วนเพียงอย่างเดียวไม่สามารถตัดสินใจการออกแบบได้: ความทนทาน, ค่าใช้จ่าย, ทนต่อการกัดกร่อน, ความเป็นไปได้ในการผลิต และอายุการใช้งานทั้งหมดล้วนสำคัญ แบบจำลองการยึดเกาะอธิบายโครงสร้างในอุดมคติ; วัสดุจริงมีข้อบกพร่องที่ทำให้ความแข็งแรงที่วัดได้น้อยกว่าที่แบบจำลองทำนายไว้
- กลับไปที่การสังเกตเดิม อธิบายว่าผลลัพธ์นี้สนับสนุนสิ่งใด มีเงื่อนไขใดบ้าง และเป็นอย่างไรในการทดสอบคำอธิบายอื่นที่ขัดแย้งกัน
เตือน:
วัสดุที่มีความแข็งแรงสูงสุดเสมอคือตัวเลือกที่ดีที่สุดสำหรับการออกแบบ ประโยคนี้ไม่ถูกต้อง: ตัวเลือกที่ดีที่สุดขึ้นอยู่กับข้อกำหนด — ต่อหน่วยมวล แอลลอยที่ดูอ่อนแอกว่ากลับชนะเหล็ก, และเกณฑ์อื่นๆ เช่น ค่าใช้จ่ายและการกัดกร่อนสามารถมีความสำคัญมากกว่าความแข็งแรงอย่างสิ้นเชิง
จุดสำคัญ:
จากแบบจำลองสู่วัสดุ: แบบจำลองการยึดเกาะทำนายคุณสมบัติรวม — โลหะนำไฟฟ้าและยืดหยุ่น, ไอออนิกแข็งและเปราะ, โควาลันต์ขนาดใหญ่ทนความร้อน, วัสดุโมเลกุลและโพลิเมอร์หลอมเหลวต่ำและงอได้ การเลือกวัสดุเปรียบเทียบคุณสมบัติที่วัดได้กับข้อกำหนดที่กำหนดไว้ มักเป็นอัตราส่วนเช่น ความแข็งแรงต่อความหนาแน่น