Tings formhukommelse
Hej Spørg om Fysik
Jeg har tit undret mig over hvordan ting kan 'huske' deres fysiske form.
Hvis man f.eks åbner en paperback, vil den lukke sig igen. Hvis man holder den tilstrækkelig længe åben, vil den på et tidspunkt 'foretrække' denne nye form. Ligeledes med græsstrå der retter sig selv op osv.
Jeg formoder det har noget at gøre med deformationer i stoffets latticeopbygning eller lignende, men hvad er den nøjagtige forklaring?
Med venlig hilsen
N S M
Du er inde på noget af det rigtige. Lad mig inden vi kommer til hukommelse kort beskrive, hvordan faste stoffer almindeligvis reagerer på kraftpåvirkninger og ændrer deres form:
For de fleste stoffer herunder metaller gælder for små påvirkninger Hookes lov (Robert Hooke 1635 - 1703)
F = -k * Δx
Hvor F er den kraft man påvirker f.eks. et stykke fjederstål med. k er en konstant, der afhænger af type af stål samt dimensionerne og Δx er hvor meget fjederens ende flytter sig fra ligevægtsstillingen uden kraft. Konsekvensen er fx, at hvis en fjeder bliver 3 cm længere når man hænger et 1 kg lod på den bliver den 6 cm længere med et 2 kg lod. Fjernes loddet vender materialet tilbage til sin oprindelige længde. Fjedrende materialer husker altså deres form. Der er imidlertid grænser. Trækker man tilstrækkeligt hårdt i et stykke fjederstål kan man strække det så meget at det får en ny form, vi har alle set ødelagte fjedre. Fra dette nye sted gælder Hookes lov igen for den deformerede fjeder. Trækker man meget hårdt kan man nå flydegrænsen dvs. fjederen bliver længere og sprænger til sidst.
Metallerne har forskellige egenskaber der er knyttet til små mængder af fremmedstoffer og til såvel mekanisk som termisk behandling.
Den termiske behandling er f.eks. hærdning, hvor metallet opvarmes til en bestemt temperatur og pludselig afkøles i vand eller olie. Mekanisk behandling kan f.eks. være koldsmedning. Iblandede fremmedstoffer i f.eks. jern kan være mangan, nikkel, chrom, kulstof. Rustfrit stål har iblanding af jern, chrom og nikkel (evt. molybdæn), invar af jern med iblanding af cobalt, kulstofstål indhold af kul. Generelt gør et stort kulstofindhold jernet stærkt men skørt og et lille indhold giver sejhed. Det der sker er, at der i jernets gitter opstår en række fejlsteder omkring fremmedatomerne, som gør at gitteret ikke let kan skride (alle atomer f.eks. flytter en binding til højre ved en kraftpåvirkning) fordi fejlstederne "låser" gitteret. Tilsvarende kan hærdning danne fejlsteder også låse gitteret.
Tager man en kobberstang på ½ m som er 3 cm bred og 8 - 10 mm tyk vil den næppe kunne bøjes med armkræfter alene, men sat i en skruestik, vil den kunne bøjes delvis, hvis man trykker alt hvad man kan. Opvarmer man den til en høj temperatur et antal timer og køler den langsomt (flere timer for nedkøling) vil man kunne bøje den i et snubtag med ganske få kræfter. Stangen er helt blød, men man kan ikke rette den ud igen (den husker sin form). Ved opvarmningen er fejlstederne bragt i orden og fjernet, så der er et helt regelmæssigt gitter, de er stort set forsvundet, ved bøjningen dannes et stort antal fejlsteder, som låser den nye form.
Formen kan også afhænge af temperaturen, det anvendes i bimetal termostater, se figuren.
Her er f.eks. en messing- og en jernstrimmels (jernstrimmel mørk) loddet sammen ved ts (stuetemperatur) ved højere temperatur bøjer båndet til højre fordi messings udvidelse er større end jernets. Dette kan anvendes i el-radiatorer, strygejern mm. til termostatering, ved at bimetallet slutter en forbindelse. Den viste figur herunder er taget fra F. Andersen m.fl. fysik 1, Gyldendal 1963.
Man har også det såkaldte nitinoltråd (en nikkel - titanium legering), som har 2 forskellige former ved to forskellige temperaturer. Man kan f.eks. give det en form, som det så fastholder, ved stuetemperatur. I varmt vand (over 70 ⁰C) eller når der løber en strøm igennem og opvarmer, retter det sig ud igen. Man kan lave en lille motor af materialet med en lukket cirkelformig tråd omkring nogle hjul. Motoren kører når den ende af holderen stikkes ned i varmt vand. Man kan også købe en teske (til underholdning), som bøjer 90 grader bagud, når den kommer i varmt vand. I praksis bruges stoffet i en del lægelige instrumenter, som så ændrer form ved 37 ⁰C, og kan som "muskler" bruges til at bevæge robotdele eller flytte emner, der ønskes flyttet en præcis afstand.
Et stykke papir kan bøjes ligesom metal uden blivende mærker. Når man på den anden side har foldet en papirflyver, holder den sin form (man kan gøre papiret fladt igen ved at gøre det vådt, og lægge det på en plan flade). Jeg formoder, at det er samme type af mekanismer, fejlsteder i bindingerne i stoffet, som i metaller, der giver bøger og papir "hukommelse".
Med venlig hilsen
Per Hedegård professor
Malte Olsen