Ізотропія - це що таке, у чому її важливість? Які матеріали є изотропными, а які - анізотропними. У цій статті ми відповімо на ці питання і наведемо для вас кілька прикладів кожного з таких матеріалів.

Чому олівці пишуть?

Ви коли-небудь замислювалися, чому олівці так добре пишуть? Якщо ви спробуєте написати на аркуші паперу за допомогою комп'ютерного стилуса, то він не буде писати. Так в чому ж справа з олівцем? Причина в тому, що олівець зроблений з багатошарового матеріалу під назвою графіт. Кожен шар графіту має атоми вуглецю, які сильно пов'язані один з одним. Ці міцні зв'язки дуже важко розірвати. З іншого боку, зв'язку між самими графітовими шарами дуже слабкі, тому верствам дуже легко ковзати повз один одного.


Олівець пише так добре, тому що шари графіту можуть легко ковзати повз один одного і залишити слід графіту на папері. Атоми вуглецю міцно пов'язані один з одним в шарі графіту, який сильний в одних напрямках і слабкий в інших. Інші матеріали, такі як скло, мають однакові властивості в усіх напрямках. Тому ми можемо класифікувати ці матеріали щодо їх ізотропія.

Поняття

Термін "ізотропія" походить від грецьких слів isos ("рівний") і tropos ("шлях") і означає рівномірний у всіх напрямках. Ізотропні матеріали, наприклад скло, показують такі ж матеріальні властивості у всіх напрямках, тоді як анізотропні матеріали (графіт) показують різні матеріальні властивості в залежності від напрямку.


Одним з матеріальних властивостей графіту є міцність, але є і інші властивості, які можна розглянути. Наприклад, теплопровідність, електричний опір і поглинаюча здатність (міра того, скільки світла поглинає матеріал).

Ізотропні матеріали

Два поширених типи ізотропних матеріалів - це метал і скло. В металах електрони розділені багатьма атомами у всіх напрямках, тому металеві зв'язки є неориентированными. В результаті властивості металів часто дуже схожі у всіх напрямках, це означає, що метали, як правило, є изотропными. Склоподібні матеріали також изотропны. Атоми, з яких складається скло, погано організовані в будь-якому напрямку, тому властивості матеріалу, як правило, однакові в усіх напрямках. Важливо пам'ятати, що навіть якщо матеріал має анізотропні області, то в цілому може бути ізотропним, якщо анізотропні області випадковим чином орієнтовані так, що можуть скасувати один одного.

Ізотропія

Ізотропія - це однорідність у всіх орієнтаціях. Точні визначення залежать від предметної області.

Математика. В математиці ізотропія має кілька різних значень: ізотропні різноманіття, изотропная квадратична форма, у складній геометрії лінія через початок координат в напрямку ізотропного вектора є ізотропною лінією і так далі.

Фізика. У квантовій механіці або фізиці частинок ізотропія - це одна з властивостей елементарних частинок. Коли бесспиновая частка розпадається результуючий розподіл розпаду повинно бути ізотропним в іншому кадрі розпадається частинки незалежно від детальної фізики розпаду. Це випливає з обертальної інваріантності Гамільтоніана, яка, в свою чергу, гарантується для сферично симетричного потенціалу. Кінетична теорія газів також є прикладом ізотропія. Передбачається, що молекули рухаються у випадкових напрямках і, як наслідок, існує рівна ймовірність руху молекули в будь-якому напрямку. Таким чином, коли в газі багато молекул, з високою ймовірністю будуть дуже схожі числа, що рухаються в одному напрямку, як і будь-які інші, отже, демонструють наближену ізотропія.

Гідродинаміка. Потік рідини изотропен, якщо немає спрямованого переваги (наприклад, повністю розвиненою 3D-турбулентності).

Теплове розширення. Тверде тіло називається ізотропним, якщо розширення твердого тіла одно у всіх напрямках, коли теплова енергія надається твердому тілу.

Електромагнетизм. Изотропная середовище є такою ж, що діелектрична проникність, найпростішим прикладом є вільний простір.

Оптика. Оптична ізотропія - це наявність однакових оптичних властивостей у всіх напрямках. Індивідуальні відображення або пропускаемость доменів усереднюються, якщо вирахувані макроскопічні відображення або пропускаемость. Це можна перевірити, просто дослідивши, наприклад, полікристалічний матеріал під поляризаційним мікроскопом з перетином поляризаторів: якщо кристаліти більше межі дозволу, вони будуть видні.

Матеріалознавство. При вивченні механічних властивостей матеріалів "ізотропності" - це наявність однакових значень властивості в усіх напрямках. Це визначення також використовується в геології і мінералогії. Скло і метали є прикладами ізотропних матеріалів. Загальні анізотропні матеріали включають деревину і шаруваті породи, такі як сланець. Ізотропні матеріали корисні, так як їх легше формувати і їх поведінка легше передбачити. Анізотропні матеріали можуть бути адаптовані. Наприклад, волокна в матеріалах волокна вуглецю і арматури в армованому бетоні орієнтовані на те, щоб витримати напругу.

Космологія. Теорія великого вибуху еволюції Всесвіту передбачає, що простір изотропно. Також передбачається, що простір однорідний. Ці два припущення разом відомі як Космологічний принцип. Тут однорідність означає, що Всесвіт скрізь однакова, а ізотропності означає, що немає кращого напрямку.

Клітинна біологія. Що таке ізотропія в клітинної біології? Якщо властивості клітинної стінки більш або менш однакові скрізь, вона називається ізотропним. Внутрішня частина клітини анизотропна за рахунок внутрішньоклітинних органел.

Фізіологія. У клітинах скелетної м'язи термін "ізотропні" відноситься до світловим смугах, які вносять вклад в смугастий малюнок клітин.

Фармакологія. Хоча добре відомо, що шкіра являє собою ідеальну площадку для управління місцевими і системними препаратами, це серйозний бар'єр для проникнення більшості речовин.

Економіка та географія. Изотропная область - це область, яка скрізь має однакові властивості, наприклад будівництво, необхідну в багатьох типах моделей.