۱۳۸۸ اردیبهشت ۱۰, پنجشنبه

چرا آلیاژها از مواد خالص استحکام بیشتری دارند؟

آلیاژ یعنی ماده ای که از دو جز یا بیشتر تشکیل شده باشد. این عنوان «آلیاژ» بیشتر در مورد فلزات به کار می رود. مثلن فولاد که ترکیبی از آهن و کربن است یک آلیاژ است. به عنصر دومی که به یک ماده اضافه می شود تا خواص آن را تغییر بدهد می گویند عنصر آلیاژی، مثلن در فولاد، کربن عنصر آلیاژی است. آلیاژها معمولن از مواد خالص تشکیل دهندشان محکمتر هستند. چرا؟ خوب زیاد پیچیده نیست؛ وقتی دو ماده با هم قاطی می شوند اصطلاحن درهم گیر می کنند و در نتیجه جلوی مکانیزم هایی که منجر به فروپاشی ماده می شوند، گرفته می شود.


حالا چطور این اتفاق می افتد؟ خوب، می دانیم که برای پاره شدن (فروپاشی) یک ماده باید بخشی از ماده روی بخشی دیگر بلغزد، یعنی گروهی از اتم ها روی گروهی دیگر سُر بخورند (این لغزش اتم ها روی هم را به کمک نظریه «نابجایی» ها توضیح می دهند.) وقتی ماده خالص است لغزش خیلی راحت اتفاق می افتد، اما وقتی یک عنصر دیگر که اندازه و رفتار متفاوتی دارد به محیط اضافه می شود در حرکت اتم ها روی هم اختلال ایجاد می کند. من شکل زیر را کشیده ام تا بهتر متوجه درگیری بین عناصر بشوید.




همانطور که می بینید در شکل سمت راست عنصر کربن که کوچک تر است در بین ساختار آهن می نشیند و آن را دچار اعوجاج می کند، که باعث می شود حرکت اتم های آهن کندتر شود.

نمودار زیر تصویر شمایی افزایش کربن بر میزان استحکام آهن را نشان می دهد. می بینید که درصد ناچیز کربن تاثیر بسیار زیادی بر استحکام آهن دارد. به بیان دیگر می شود گفت که این کربن است که برج ایفل را روی پا نگه داشته است.



فکر می کنم به سوالی که در عنوان نوشته آمد تا حدودی جواب داده شده است. البته جزییات خیلی زیادی درباره ی خواص مکانیکی آلیاژها وجود دارد که با یک رابطه ی کلی قابل توضیح نیستند، مثلن اگر عناصر در کنار هم تشکیل ترکیب بدهند مساله کمی تفاوت خواهد کرد.


۱۳۸۸ اردیبهشت ۹, چهارشنبه

قطره های باران پیش از آنکه به زمین برخورد کنند می ترکند!

مطلب جالبی در نیو-ساینتیست دیدم که خوب است اینجا بنویسم. پژوهشی در دانشگاه هاروارد نشان داده است که قطره های باران پیش از آنکه به زمین برخورد کنند می ترکند. این اتفاق به خاطر تشکیل یک بالشتک نازک هوا بین قطره و زمین است که قطره با برخورد به آن و پیش از آن که به زمین برسد می ترکد. این بالشتک کوچک هوا در فاصله ی چند میکروثانیه مانده به زمین بین قطره و زمین، به خاطر حرکت قطره که باعث فشردن هوا می شود، تشکیل می شود. خیلی جالب است نه؟ این مطلب در APS به چاپ رسیده است. (لینک)

اما از این جالب تر مطلب نسبتن قدیمی تری درباره ی پخش شدن قطره های مایع (ترکیدن) در اثر برخورد با سطح صلب است که می گوید پدیده ی ترکیدن و پخش شدن قطرات مایع در جایی که هوا وجود ندارد اتفاق نمی افتد؛


«برای جلوگیری از اثر هوا آزمایش در یک محفظه ی خلا انجام شد. [...] تیم آزمایش دریافتند که هرچه فشار هوا کمتر باشد پخش شدن قطرات (splash) کمتر می شود و در فشار حدود 0.2 بار (bar - واحد فشار)* این پدیده کاملن ناپدید می شود.»


چرا این مساله عجیب است؟! چون وقتی فشار هوا کمتر باشد در واقع فشار بر روی قطره کمتر است و بنابراین انتظار داریم قطره تمایل بیشتری به متلاشی شدن (ترکیدن) داشته باشد، یعنی راحت تر و با انرژی کمتر بترکد. اما نتایج آزمایش درست برعکس این را نشان می دهد! متاسفانه در این مقاله چیزی درباره ی دلیل این پدیده گفته نشده و من هم نتوانستم دلیل مناسبی برای آن پیدا کنم.


*یک بار برابر با 100000 پاسکال است.


۱۳۸۸ اردیبهشت ۸, سه‌شنبه

ماده چگونه ذوب می شود؟

می دانیم که نقطه ی ذوب یک ماده (دمایی که در آن جامد به مایع تبدیل می شه) ویژگی ذاتی ماده هست و به پیوندهای بین اتمی آن بستگی دارد. به طور دقیق و از دیدگاه اتمی می شود گفت؛ با افزایش دما متوسط سرعت اتم ها افزایش می یابد تا آنجا که اتم ها می توانند از نیروی جاذبه ای که از طرف اتم های اطراف شان به آنها وارد می شود فرار کنند. اما آیا این تغییرات درون ماده به صورت تدریجی و خطی است؟ جواب این سوال جالب توجه هست، نه!



من در اینجا نمودار تغییرات انرژی پتانسیل اتم ها نسبت به دما را برای عنصر طلا رسم کرده ام تا بهتر متوجه منظورم بشوید. همانطور که می بینید در نقطه ی ذوب نمودار یک جهش بزرگ را نشان می دهد.



دلیل این جهش ناگهانی در انرژی پتانسیل چیست؟ خوب بگذارید باز هم از نقطه نظر اتمی به این پدیده نگاه کنیم: اتم ها به طور طبیعی در حالت «ارتعاش» هستند که دامنه ی این ارتعاشات متناسب با دمای سیستم است. بنابراین با افزایش دما میزان ارتعاشات و انرژی جنبشی اتم ها افزایش می یابد. وقتی دامنه ی این ارتعاشات به مقدار بحرانی برسد، تعدادی از پیوندها «شکسته» می شوند، یعنی اتم ها می توانند درون سیستم جابه جا شوند. دلیل افزایش ناگهانی در انرژی پتانسیل هم همین «جابه جایی» و «آشفتگی» در سیستم است. به بیان دیگر درجه آزدی اتم ها در سیستم زیادتر شده است. حالا اگر دما بالاتر برود و تعداد پیوندهای شکسته شده بیشتر می شود و اتم ها از سطح ماده شروع به جدا شدن می کنند که می گوییم بخار شده اند.


تغییر جامد-مایع در مهندسی اهمیت زیادی دارد و برای بررسی آن معیارهای ریاضی مختلفی تعریف شده است. یکی از این معیارها شاخص لیندمان است که در اوایل قرن گذشته توسط لیندمان ارایه شد. این شاخص نشان دهنده ی میزان جابه جایی بین اتم ها در طول زمان است (اگر فرصتی شد درباره محاسبه آن چیزی می نویسم). توجه داشته باشید که یک پدیده ماکروسکوپی مانند ذوب شدن برایند تعداد بسیار بسیار زیادی برهمکنش بین اتم هاست.


من نمودار شاخص لیندمان نسبت به دما را برای طلا رسم کرده ام. همانطور که می بینید تغییرات شاخص لیندمان دقیقن منطبق بر تغییرات انرژی پتانسیل است که در بالا نشان داده شد. بنابه تعریف اگر شاخص لیندمان مقداری بزرگتر از 0.1 باشد معرف حالت مایع است.



شاید بپرسید دانستن این مکانیزم ها به چه درد می خورد؟ خوب، باید بگویم در مهندسی، این تحلیل ها کاربرد زیادی در پیش بینی و شبیه سازی رفتارهای فیزیکی مواد دارد که در نهایت به بهینه سازی مواد کمک می کند.


توضیح 1: این نمودارها را با محاسبات شبیه سازی به روش دینامیک مولکولی رسم کرده ام.

توضیح 2: البته موادی هم هستند که تغییر جامد به مایع در آنها تدریجی است و قبل از مایع شدن به شکل خمیری در می آیند مانند پلیمرها.


۱۳۸۸ اردیبهشت ۳, پنجشنبه

مورچه ها و جمع آوری غذا

چندوقت پیش مستندی درباره ی مورچه ها را جسته و گریخته می دیدم. یک بخشی از برنامه درباره ی این بود که مورچه ها چگونه غذای خود را جمع آوری و ذخیره می کنند. برای شبیه سازی مورچه ها، گروه پژوهش آزمایش جالبی انجام داده بودند. در این آزمایش تعدادی ربات کوچک (مورچه) در صفحه ای که تعدادی استوانه های کوچک و هم شکل (ذرات غذا) به طور تصادفی چیده شده اند حرکت می کردند. الگوریتم آزمایش بسیار ساده و به این ترتیب بود که اگر یک ربات، که به صورت تصادفی حرکت می کند، در مسیر خود به یک استوانه برسد آن را بر می دارد و اگر به یک استوانه ی دیگر برسد استوانه ای را که برداشته در کنار آن می گذارد. نتیجه بسیار جالب بود؛


«با گذشت زمان استوانه ها در گروه های چندتایی جمع آوری می شوند [...] بنابراین برخلاف آنچه تصور می شود رفتار اعجاب آمیز مورچه ها ممکن است نتیجه ی منطق بسیار ساده ای باشد.»


در فکرم بود که چه خوب است اگر این الگوریتم به صورت شبیه سازی کامپیوتری پیاده شود. این کار، نسبت به شبیه سازی با ربات ها دو مزیت دارد؛ اول اینکه می شود آزمایش را در مقیاس بزرگتری اجرا کرد (استوانه ها و ربات های بیشتر و همین طور زمان های طولانی تر) و دوم اینکه می شود رفتارهای پیچیده تر و متفاوتی را روی برنامه ی کامپیوتری پیاده کرد.

الگوریتمی که نوشته ام به همان سادگی بود که برای ربات ها پیاده شد:

1- نقطه های ساکن (ذرات غذا) در یک صفحه به طور تصادفی پراکنده شده اند.

2- نقطه های متحرک (مورچه ها) در چهارگوشه ی صفحه پراکنده می شوند.

3- مورچه ها به طور تصادفی در صفحه حرکت می کنند

4- اگر یک مورچه به یک ذره ی غذا برخورد کند آن را بر میدارد

5- اگر مورچه ای که به یک ذره ی غذا می رسد ذره ی غذایی به همراه داشته باشد، آن را در کنار ذره ی ساکن می گذارد.


برنامه را در متلب نوشتم و اجرا کردم. در اینجا می توانید فیلم یک شبیه سازی با صدهزار گام زمانی را ببینید. در این شبیه سازی ده مورچه و دویست ذره ی غذا در یک مربع ده در ده شبیه سازی شده اند.


* در هر گام زمانی مورچه ها به مقداری تصادفی و در جهتی تصادفی تغییر جهت می دهند. حداکثر فاصله حرکت آنها قابل تعریف است.




video