Плотность:
В нашем могучем языке слово «плотность» часто употребляется, как синоним «удельного веса» или «удельной массы»,
так как между плотностью и удельным весом есть прямая взаимосвязь, к тому же измеряются они в одних и тех же единицах.
При этом удельный вес, или плотность – самое легко измеряемое свойство материала и самое доступное для понимания его сути.
Поэтому разбираться мы с него и начинаем.
А что, собственно, тут разбираться? И так все понятно: есть «тяжелые» материалы, например – сталь, а есть материалы
«легкие», например – пенопласт. Кубометр стали весит несколько тысяч килограммов, а кубометр пенопласта – несколько
десятков килограммов; вот тебе и разная плотность, и разный удельный вес.
И все-таки, давайте не поленимся и поразмышляем на данную тему, чтобы заложить этим некую базу для наших последующих
умозаключений.
Сначала зададим себе один простой, можно даже сказать «детский», вопрос: почему разные материалы имеют разную
плотность – а, затем, попробуем сами же на этот вопрос ответить.
Ну, во-первых, все вещества, как мы знаем, на самом элементарном уровне состоят из атомов и молекул. Эти атомы
и молекулы – мельчайшие частицы вещества – могут быть больше или меньше размером, тяжелей или легче; а также размещаться
в пространстве могут теснее или просторней. От совокупности всех этих факторов зависит то, сколько весит единица объема
вещества.
А во-вторых, само вещество во многих материалах (за исключением жидкостей, стекла, металлов и некоторых пластмасс)
присутствует также в виде различных частиц вроде волокон, крупинок, кристалликов, чешуек, пластинок, пузырьков и т.п., которые
взаиморасположены в материале с различными зазорами. Величина и количество этих зазоров, конечно же, зависит от формы и размера частиц вещества.
Если бы все составляющие материал частицы имели абсолютно правильную форму, которая позволяла бы им плотно прилегать одна к другой – без
малейших зазоров (как блоки в египетских пирамидах), то тогда все строительные материалы представляли бы собой просто
сплошную массу, а их свойства зависели бы, в основном, от их молекулярного строения.
Но природа ровным формам предпочитает всякие прихотливые и не ровные. Ей, наверное, кажется, что так она может добиться
большего разнообразия. Что ж, природе видней. А в результате этого, все частицы, из которых состоят строительные
материалы, имеют более или менее неправильную форму, из-за чего, естественно, в местах примыкания этих частиц друг к другу
образуются маленькие и не очень маленькие зазоры и пустоты.
Вполне очевидно то, что наличие пустот в массе материала влияет на его свойства, и чем большую долю объема занимают
пустоты в материале, тем это влияние значительнее.
В отношении плотности это влияние определяется очень просто:
Пустоты – они же наполнены воздухом (или какими-то газами из его состава), который, можно считать, практически,
ничего не весит; значит – чем больше пустот в материале, тем он легче, то есть – меньше его удельный вес или плотность.
И, соответственно, наоборот – отсутствие или минимальный объем пустот означает большой удельный вес, то есть плотность.
Неспроста же мы, когда хотим подчеркнуть легкость и неплотность какого-то предмета или вещества, называем их «воздушными».
Итак, на заданный выше самим себе вопрос мы можем теперь ответить следующим образом:
– Разные строительные материалы имеют разную плотность потому, что они по-разному разбавлены воздухом.
Конечно, данное объяснение подходит только для тех материалов, которые состоят из частиц, несоизмеримо больших
по размерам, чем молекулы самого того вещества, которое составляет материал. Но ведь все основные строительные материалы
(камни, древесина, бетоны, гипс, керамика, утеплители, различные композитные материалы), как раз, таковыми и являются.
Значит, наше объяснение можно считать вполне справедливым.
Иными словами, мы выяснили, что степень плотности материала зависит от его внутреннего строения, от соотношения
количества присутствующих в нем веществ и пустоты.
Но ведь остальные свойства материала, такие как прочность, удельная теплопроводность, воздухо- и паропроницаемость,
звукопроницаемость или звукоотражение, непременно, так же, как и плотность, должны зависеть от внутреннего строения материала.
Тогда, не послужит ли нам плотность (за то, что мы ей уделили столько внимания) ключом к остальным свойствам
строительных материалов?
Итак, «поехали» дальше – по порядку:
Прочность:
Если материал обладает высокой плотностью, то есть – большим удельным весом, то это значит, что частицы его вещества
в большем количестве и теснее расположены в единице его объема, и поэтому, они имеют больше точек и поверхностей
соприкосновения друг с другом; значит, общая масса имеет больше внутренних связей, то есть прочнее сцеплена внутри себя,
и прочность такого материала выше, нежели менее плотного. Вывод:
Более высокая плотность материала – признак большей прочности; меньшая плотность материала – признак меньшей
прочности.
Можно предположить, что не только от плотности зависит прочность материала. Наверняка имеются другие факторы,
влияющие на это свойство (например, внутренняя структура). Однако плотность, конечно же, – один из определяющих факторов
прочности материала, во всяком случае, для материалов одного вида.
Теплопроводность и сопротивление теплопередаче:
Наверное, нет на свете человека, которому, хотя бы раз в жизни, не довелось обжечься о какой-нибудь горячий предмет:
чайник, утюг, сковородку, паяльник. Это не только результат нашей беспечности, это свидетельство того, что воздух является
хорошим теплоизолятором, то есть, почти не проводит через себя тепло. Поэтому, мы не в состоянии ощутить истинную
температуру горячего предмета, пока не дотронемся до него, пока между ним и нами есть хоть малюсенький воздушный
промежуток, который, благодаря чрезвычайно высоким теплоизолирующим свойствам воздуха, вызывает у нас иллюзию того,
что данный предмет не такой уж и горячий.
Итак, воздух является очень эффективным теплоизолятором. Но ведь мы же не воздушные замки собираемся строить!
А как быть с другими веществами, из которых состоят интересующие нас строительные материалы?
Чтобы определить способность других веществ проводить через себя тепло, воспользуемся «прибором» под названием
«стакан с горячей водой». Из какого бы материала этот стакан не был бы сделан (стекла, керамики, металла или пластмассы),
дотронувшись до его боковой поверхности, мы сразу поймем, что материал этот вовсе не является теплоизолятором, так
как мы ощутим температуру, сравнимую с температурой воды внутри стакана.
Какова разница между теплопроводностью воды и воздуха можно почувствовать, если хорошо разогретую сковородку взять
за металлическую ручку сначала сухой прихваткой, а затем прихваткой влажной.
Таким образом, можно сказать, подвергая себя риску, мы выяснили, что воздух обладает чрезвычайно
низкой теплопроводностью, а все другие вещества тепло проводят значительно лучше, чем воздух.
Это наше открытие имеет очень важное значение, поскольку позволяет нам определять, какие из строительных материалов
обладают низкими, а какие – более высокими теплозащитными свойствами (могут применяться как «утеплители»). Раз основной
теплоизолятор – это воздух, то нам надо только определить, в каких материалах он присутствует в меньшей степени,
а в каких – в большей. А как это определить? Правильно – по плотности! Ведь, как мы уже выяснили, в менее плотном
материале больше пустоты, а пустота – это воздух (или какие-то из составляющих его газов). Значит – менее плотный
материал (благодаря присутствию воздуха в нем в большем количестве) должен хуже проводить тепло, нежели материал,
обладающий большей плотностью.
Итак – делаем вывод:
Более высокая плотность материала – признак большей теплопроводности, или меньшего сопротивления теплопередаче;
меньшая плотность материала – признак меньшей теплопроводности, или большего сопротивления теплопередаче.
Значит, пенопласт, как один из наиболее легких материалов (то есть – наименее плотных) является одним из
наиболее эффективных «утеплителей».
Воздухо- и паропроницаемость:
Такие материалы, как кирпич, штукатурка, бетон, естественные камни, древесина – в общем, все, что состоит из
кристаллов, частиц или волокон – является, в той или иной степени, проницаемым для воздуха и молекул воды,
то есть – пара. При этом степень проницаемости, как правило, зависит от плотности материала. Аналогично тому, как вода
моментально просачивается сквозь свеженасыпанный рыхлый песок и значительно медленнее – сквозь предварительно хорошенько
утрамбованный, молекулы воздуха и пара сквозь менее плотные материалы просачиваются легче и быстрее, а сквозь более
плотные – медленнее. Таким образом: чем больше плотность материала, тем больше его сопротивление паро- и
воздухопроницанию. Исключение составляют некоторые искусственные вспененные материалы, такие как пенопласты, которые
имеют замкнутые поры в почти не проницаемой для воздуха и пара полимерной массе, в результате чего, при весьма небольшой
плотности они, тем не менее, очень плохо пропускают через себя воздух и пар.
Звукоизоляция и звукопроницаемость:
Школьные учителя физики, все, как один, утверждают, что звук – это волновая энергия. То есть, это – волновые колебания
какой-либо среды с частотой, соответствующей звуковому диапазону. Ну, а раз учителя утверждают, значит, так оно и есть.
Можно не сомневаться. Ну, а как это происходит – выясним.
И конечно, раз уж мы на все смотрим с позиции плотности материала, то посмотрим и на звук с этой же позиции.
РАСПРОСТРАНЕНИЕ ЗВУКОВЫХ ВОЛН В РАЗЛИЧНЫХ СРЕДАХ
Заметим, что звуковые волны существуют в пространстве не просто так – сами по себе, а в некоей среде. Чаще
всего мы имеем дело со звуком, который распространяется в воздушной среде. Кроме воздуха, звук может распространяться
в других средах: в воде, в камне, в металле и пр., кроме только вакуума. Но, что это значит? Если в вакууме звук не
может распространяться, а в материальной среде – может, значит, главное отличие вакуума от материальной среды и есть
то свойство, которое определяет звукопроводность материала. А этим главным отличительным свойством является плотность; у вакуума
она равна нулю, а материальная среда обязательно обладает какой-либо, хоть даже и относительно малой (как, например,
воздух) плотностью. При этом, по логике, должна действовать взаимосвязь: чем больше плотность материала, тем лучше
материал проводит звук. То есть, вакуум – это среда, плотность которой равна нулю, и скорость звука в нем тоже равна
нулю; по мере увеличения плотности среды увеличивается и скорость звука в ней. И самая большая скорость распространения
звука должна быть в самых плотных материалах, таких, как сталь. Кстати, давно известен тот факт, что услышать
звук приближающегося поезда можно намного раньше, если приложить ухо к рельсу железной дороги.
В домашних условиях способность звука распространяться в плотных материалах можно проверить проведя следующий эксперимент.
Глубокой ночью, когда весь мир спит, и ни какие посторонние звуки нам не мешают, возьмем наручные
часы, которые тикают, но не чересчур громко, затем возьмем линейку длиной сантиметров 30 из плотной древесины, или
пластмассы, или металла, приложим один ее конец к уху, а к другому ее концу приложим те же часы; прислушаемся,
и услышим в линейке тиканье часов. Другим же ухом – через воздушную среду – мы почти ничего не услышим.
Итак, мы выяснили, что в наиболее плотных материалах звук распространяется хорошо и быстро, как, например,
в стали и граните, а в материалах с низкой плотностью, как, например, в воздухе – хуже. В общем и целом это верно.
«В общем и целом» потому, что на распространение звука в какой-либо среде, кроме плотности, влияет еще и внутренне
строение самой среды. Материалы могут иметь внутреннее строение более или менее «заковыристое». Естественно, что вот
эта «заковыристость» является неким препятствием для звука, и порой, даже весьма существенным, как, например, в резине.
Макромолекулы резины пространственно сложно устроены, что сильно затрудняет процесс трансляции волновой энергии через
ее среду. В результате этого резина, в отличие от других веществ, при своей достаточно большой плотности, тем не менее,
является очень плохим проводником звука. Но, в целом, конечно, плотность – это свойство, способствующее распространению
звука в средах.
ОТРАЖЕНИЕ И ПОГЛОЩЕНИЕ ЗВУКА
Всем известна поговорка «Знать бы, где упадешь – соломки постелил бы». Наш жизненный опыт подсказывает нам, что
на соломку упасть гораздо лучше, чем на твердую землю. И не только потому, что меньше испачкаешься, но еще и потому, что
меньше ушибешься. Не дай нам Бог упасть на твердый каменный пол, а на стог сена можно и специально плюхнуться; стог,
как аммортизатор, поглотит кинетическую энергию нашего тела. «Поглотит» – потому что не передаст куда-то дальше и не вернет
нам, а примет в себя.
Стог состоит из множества – миллионов – травинок, былинок и соломинок, расположенных в нем хаотично. При нашем
падении в стог, все эти травинки меняют свое положение; в процессе чего совершается некая работа по преодолению сил трения
между ними, внутри них возникают какие-то напряжения – сжимающие, растягивающие или изгибающие. А эта работа как раз
и совершается за счет той самой кинетической энергии нашего тела. То есть эта энергия расходуется на эту работу.
Вот таким образом энергия и поглощается.
В камне все частицы, из которых он состоит, расположены очень плотно, гораздо более прочно сцеплены друг с другом,
нежели сено в стоге, и наше падение на каменный пол их совсем не потревожит. Поэтому каменный пол, ту кинетическую
энергию, которую наше тело попытается ему передать, почти полностью отразит и вернет нам в виде (в лучшем случае)
ушибов. Если же взять предмет из материала большей плотности, чем камень, например стальное или чугунное ядро,
и выстрелить им в каменную стену, то не стена «ушибет» ядро, а вовсе наоборот ядро – стену, и даже может ее разрушить.
А причем тут звук? Ведь звук не предмет и не ядро, а волна.
Звук – хоть и не ядро, а волны, но он обладает определенной энергией. Так же, как и волны морские, которые могут
отражаться от скалистого берега, а могут и разрушать прибрежные постройки, звуковые волны способны колебать и даже
разрушать препятствия на своем пути.
Очевидно, что воздействие звука на предметы и преграды зависит от плотности материала этих преград. Так же,
как упомянутые выше морские волны, звук очень хорошо отражается от каменных и других преград из материалов высокой
плотности. Свидетельством этого является долгое эхо в просторных пустых помещениях со всеми каменными поверхностями.
В то же время, материалы низкой плотности, и тем более рыхлые материалы, хорошо поглощают энергию звука, так же, как
стог сена – энергию падающих на него тел. Так в помещении, где все поверхности задрапированы гардинами и укрыты
коврами, гулкость исчезает совсем, поскольку звук от поверхностей практически вовсе перестает отражаться.
Тут надо сделать одно важное замечание: плотность – это, конечно хорошо, но предметы и преграды, состоящие из
материалов высокой плотности, тем не менее, могут быть маленькими и легкими, как, например, песчинки и галька,
перекатываемая волнами прибоя, или металлическая мембрана микрофона, которая, благодаря своей чрезвычайно маленькой
толщине, весьма чувствительна к звуку и колеблется даже от очень слабых звуковых волн. Значит, следует четко понимать,
что, в конечном итоге, решающим фактором для отражения звуковой волны является масса преграды, которая, конечно же,
напрямую зависит от плотности материала преграды.
ГРАНИЦА МЕЖДУ СРЕДАМИ
То, что звук распространяется в различных средах, обладающих различной плотностью, наводит нас на мысль о том, что,
на самом деле, надо рассматривать отражение звука (большее и ли меньшее) не просто от какого-то материала, а от границы
сред с разной плотностью. И как нам стало понятно из рассмотренных примеров, чем больше разница в плотности, тем больше
степень отражения, и наоборот – чем меньше разница в средах, тем меньше степень отражения звука при переходе через
границу между этими средами. Причем, звук практически одинаково отражается от границы сред, как со стороны более плотной
среды, так и со стороны менее плотной среды. Граница есть граница, с какой бы стороны вы ее ни переходили …
В этом отношении очень показателен пример границы между водной средой и воздушной.
В воде, как среде гораздо более плотной, нежели воздух, звук распространяется быстрее, чем в воздухе, и водные
животные и рыбы этим активно пользуются, общаясь друг с другом посредством звуковых сигналов. Подводный мир на самом
деле не безмолвный – он звучит, но мы этого не слышим, потому что наши уши находятся в воздушной среде – за границей
между средами.
Еще один важный вывод можно сделать из того, что мы поняли: благодаря чрезвычайно большой разности в плотностях
камня и воздуха, конструкции из камня, бетона и других высокоплотных материалов способны эффективно отражать звуковые
волны, которые распространяются в воздухе, обеспечивая тем самым изоляцию от «воздушного» звука. Однако, в том случае,
когда звук поступает через иную среду, с большей плотностью, например металл, эффективного отражения не будет, и,
соответственно, звукоизоляции – тоже. Иллюстрацией к этому может служить перестукивание через каменные стены в казематах,
и звук электродрели, проникающий даже через толстую бетонную стену.
ПЕНОПЛАСТ И ЗВУКОИЗОЛЯЦИЯ
Казалось бы, все ясно – пенопласт легкий, значит, звук отражает плохо и проводит плохо, но зато хорошо его поглощает.
Вставляем его в перегородку, и звук в нем застрянет – вот вам и звукоизоляция! Но, что-то, все-таки смущает…. Уж больно
мало пенопласт похож на сено. Минеральная вата – волокнистая, и понятно, что звук поглощать будет аналогично тому,
как это было со стогом сена. А пенопласт состоит из пузырьков…. Надо с ним разобраться особо.
Возьмем мяч, положим его на травку футбольного поля, разбежимся и ударим по нему ногой. Мячик, при этом, может
улететь очень далеко. Затем, возьмем подушку, по весу сравнимую с тем же мячом, и то же самое проделаем с ней. Подушка
улетит совсем не так далеко, как мячик. В общем-то, ничего удивительного – ведь поэтому в футбол и играют мячами,
а не подушками. Тем более, мы уже понимаем, как подушка, набитая волокнистым материалом, поглощает энергию. А мячик – он
упругий – не деформируется, энергию не поглощает, а летит себе и расходует ее на преодоление сопротивления атмосферы.
Интересно, что мячик, хоть и наполнен воздухом, а ведет себя примерно также, как и сплошной бильярдный шар
из пластмассы. То есть, шар из воздуха или из твердой пластмассы по своей сути одно и то же – при получении энергии
не поглощает ее, а транслирует дальше. А пузырьки (замкнутые поры) из которых состоит пенопласт – тоже такие же мячики,
только маленькие, и так же будут не поглощать энергию звука, а передавать ее дальше.
Значит, несмотря на свою маленькую плотность, в плане распространения звука пенопласт с замкнутыми порами похож
на высокоплотные материалы, то есть, хорошо проводит через себя звуковую энергию. И при этом, опять же благодаря
своей маленькой плотности, он не в состоянии в достаточной мере отражать звуковые волны.
Таким образом, получается, что пенопласт, сам по себе, весьма плох для звукоизоляции. Но это результат того,
что он состоит из замкнутых пор (пузырьков), наличие же в материале незамкнутых пор – то есть таких, которые сообщаются
друг с другом и с внешней средой – может повысить его звукопоглощающую способность.
Еще можно предположить, что есть некоторый толк от применении пенопласта в многослойных конструкциях, где энергия звука
снижается при многократном переходе границы между средами с различной плотностью. Однако, в этом случае суть
не в пенопласте, а в конструкции.
Ну вот! Нам удалось разоблачить пенопласт, который некоторые продавцы строительных материалов преподносят нам как
материал с высокими звукоизолирующими свойствами. Мы теперь знаем, что таковым он не является, хотя, как теплоизолирующий
материал он весьма эффективен.
С помощью своих бытовых представлений о жизни и порядке вещей нам удалось разобраться в некоторых свойствах
строительных материалов. Единственное, что – разобраться мы смогли только в сути, то есть – на качественном уровне. Конечно,
для того, чтобы разобраться в этом более детально и на количественном уровне («сколько в граммах»), нам не обойтись
без специалистов, точных измерительных приборов, расчетов и формул.
Но и то, что мы смогли сами, тоже ценно, теперь, никто не введет нас в заблуждение.
Будем и дальше не бояться думать сами.
|
