Sé que la cantidad de fuerza requerida para separar un material de sí mismo está relacionada con la energía superficial de ese material. Sin embargo, mirar solo la energía de la superficie subestima ridículamente la cantidad de fuerza que necesitas para cortar algo. Por ejemplo, el aluminio tiene una energía superficial de alrededor de 1 julio por metro cuadrado. Esto equivale a una fuerza de corte de alrededor de 2 onzas por pie de espesor. Pero obviamente se requiere más fuerza en una situación de la vida real. ¿De dónde viene esa fuerza?
Sospecho que los dos mayores contribuyentes son la fricción entre el material y la hoja y la deformación plástica del material alrededor de la hoja. Pero no veo dónde entran en juego aquí la nitidez o la dureza. ¿Qué me estoy perdiendo?
Solo por especificidad, no estoy buscando aserrar, dividir o mecanizar; simplemente empujando una cuchilla directamente a través de una hoja de material (como usar un cuchillo para abrir un empaque de plástico).
Si corta algo empujando una hoja directamente hacia él, esto es lo que sucede: en el primer contacto de la hoja con el material, solo el borde muy delgado de la hoja toca el material, la fuerza por unidad de área es muy alta y la hoja corta. el material muy fácilmente. Es por eso que es casi trivialmente fácil hacer marcas en cosas como el aluminio usando una cuchilla afilada. Pero una vez que la cuchilla comienza a penetrar, la abertura por la que desciende la cuchilla debe abrirse a la fuerza lo suficiente como para que pase el cuerpo de la cuchilla. Esto se logra principalmente por los lados en forma de cuña de la cuchilla que separan el material. La mayor parte de la resistencia de la cuchilla se debe a la fricción de los lados de la cuchilla contra el material y a la energía requerida para deformar el material hacia afuera para hacer espacio para la cuchilla. En algunas circunstancias,
Imagine cortar un trozo de queso presionando un alambre a través de él. Obviamente, cuanto más delgado sea el alambre, menos fuerza se necesitará para cortar el queso. ¿Cuál es el límite cuando el diámetro del alambre se aproxima a cero? Sospecho (pero no estoy seguro) que sería la energía de enlace molecular que mencionaste. Pero dado que cualquier cable real tendría que ser lo suficientemente grueso para no romperse, nunca podremos alcanzar este límite teórico.
Aparte, se utiliza un proceso de pensamiento similar en el diseño de cortadoras láser y cortadoras de alambre EDM. Cuanto más concentrado esté el rayo láser (o más delgado sea el hilo de electroerosión), menos material se tiene que vaporizar y menos energía se necesita para una determinada longitud de corte.
Aquí hay una respuesta intuitiva / cualitativa. Tal vez alguien más agregará algunas matemáticas.
Me pregunto si es instructivo observar el tallado de diamantes. Como sabe, el diamante es extremadamente duro y el mecanizado convencional es muy difícil. Pero si puede encontrar el plano de fractura correcto ((111) y sus primos simétricos), es posible dividir el diamante a lo largo de ese plano con relativamente poca energía. Esto generalmente se hace con una hoja endurecida bien alineada, una línea marcada con láser para iniciar la fractura y un golpe seco con un martillo. La fuerza puede ser alta, pero la cuchilla se mueve solo una pequeña distancia, y el resultado es que el diamante se parte a lo largo de su plano de fractura con un trabajo relativamente pequeño.
Entonces, ¿por qué sería diferente para el aluminio? Normalmente, cuando se propaga una grieta, sucede algo interesante en la punta, y exactamente lo que sucede es una fuerte función de la tasa de deformación. En el caso del diamante anterior, la velocidad de deformación es extremadamente alta y el material no tiene otra posibilidad de responder que no sea rompiéndose. Por el contrario, a velocidades de deformación más bajas, tiende a obtener una deformación elástica en la punta de la grieta antes de la fractura: es decir, no solo rompe los enlaces de la superficie, sino que realiza una cantidad significativa de trabajo moviendo los átomos cerca de la superficie de fractura. La punta de la grieta tiende a volverse desafilada debido a esto, y eso solo aumenta el volumen de material que está siendo trabajado por el corte.
Entonces, no solo rompes los enlaces de la superficie, sino que induces fricción y movimiento interatómico en una escala que va mucho más allá de la superficie. Exactamente cuánto más profundo depende del material y la velocidad de deformación, pero da como resultado un trabajo que es muchas veces mayor que el que derivaría de la energía de la superficie.
Algunas pruebas de que mi hipótesis podría ser correcta se dan en este artículo , que incluye el siguiente texto:
Encontramos que las dislocaciones parciales se nuclean en la punta de la grieta y se alejan de la punta de la grieta bajo tensión. Estas dislocaciones parciales embotan la punta de la grieta y generan una fractura dúctil en ausencia de impurezas de H.
Creo que ese mecanismo requiere mucha más energía que un simple corte a lo largo del plano.