Толщина аквариумного стекла: стекло или акрил

Физика нагрузок на стенки аквариума: гидростатическое давление, почему глубина важнее длины, запас прочности и чем различаются флоат-, закалённое, ламинированное стекло и акрил.

Давление воды: важна глубина, а не длина

Нагрузка на стенку аквариума создаётся гидростатическим давлением — статическим давлением веса столба воды над данной точкой. Для жидкости однородной плотности p = ρgh, где p — давление, ρ — плотность жидкости, g — ускорение свободного падения, h — глубина под поверхностью. Давление в покоящейся воде действует одинаково во всех направлениях, поэтому оно давит наружу на каждую стенку и вниз на дно.

Поскольку давление зависит от глубины и плотности, а не от объёма, у уровня воды оно равно нулю, а внизу каждой стенки максимально. Удвоение глубины удваивает давление у дна. В учебниках физики это поясняют на примере плотин: широкое, но мелкое озеро глубиной 3 м создаёт лишь половину среднего давления небольшого пруда глубиной 6 м, хотя на более длинную плотину приходится большая суммарная сила, потому что нагружена большая площадь. С аквариумом то же самое: более высокий аквариум повышает давление на каждую стенку, а более длинный при той же высоте сохраняет давление, но распределяет его по большей панели, что увеличивает суммарную силу и пролёт, который должно перекрывать стекло.

Пример расчёта по формуле: для пресной воды плотностью около 1000 кг/м³ и g около 9,81 м/с² при глубине 0,6 м давление у низа стенки составит примерно 1000 × 9,81 × 0,6 ≈ 5900 Па (около 5,9 кПа). Давление также растёт пропорционально плотности жидкости, поэтому более плотная жидкость на той же глубине давит сильнее.

Напряжения в стенке и запас прочности

В инженерии прогиб плоской пластины под нагрузкой, перпендикулярной её поверхности, находят, решая уравнения изгиба пластин с правильными граничными условиями — то есть с учётом того, как закреплена каждая кромка. Из прогиба вычисляют напряжения, а критерии разрушения показывают, сломается ли пластина. В расчёт входят высота, длина и толщина стенки, опирание кромок и материал.

Коэффициент запаса прочности показывает, во сколько раз конструкция прочнее, чем требуется для максимальной ожидаемой нагрузки; в простой форме это прочность, делённая на рабочее напряжение. Конструкция с коэффициентом 1 выдерживает только расчётную нагрузку, а с коэффициентом 2 разрушается при двойной нагрузке. Запас покрывает непредвиденные нагрузки, неправильное использование и износ, но сам по себе не делает конструкцию безопасной: значение имеют также изготовление, монтаж и эксплуатация.

Стеклу нужен большой запас. Обычное стекло имеет типичную прочность на растяжение около 7 МПа — намного ниже теоретического предела, потому что пузырьки и особенно поверхностные дефекты, например царапины, сильно снижают прочность. Прочность на сжатие (около 1000 МПа) значительно выше, но трещины растут под действием растяжения, и начавшаяся трещина может распространяться очень быстро. Стекло хрупкое и почти не предупреждает о разрушении, хотя в аквариумах обычно первым отказывает герметик.

Виды стекла

• Флоат-стекло (отожжённое): расплав стекла выливают на расплавленное олово, что даёт равномерную толщину и плоскую поверхность, затем медленно охлаждают, чтобы оно отожглось без напряжений. Обычно это натрий-кальциевое стекло. При разрушении образует крупные острые осколки неправильной формы.
• Закалённое стекло: термическая или химическая обработка создаёт сжатие в поверхностных слоях, делая его примерно в четыре раза прочнее отожжённого; разбивается на мелкие гранулы. Резать, сверлить и шлифовать кромки нужно до закалки, после неё обработка невозможна. Повреждение в любом месте, особенно на кромке, может привести к разрушению всего листа, а включения сульфида никеля способны вызвать самопроизвольное разрушение спустя годы после изготовления.
• Ламинированное (многослойное) стекло: два или более слоя стекла, склеенные полимерными плёнками, которые удерживают осколки при разрушении. Иногда применяется в аквариумах и сочетает часть преимуществ стекла и акрила.

Стекло или акрил

Большинство аквариумов — это стеклянные панели, склеенные силиконовым герметиком; стекло стандартно для объёмов примерно до 1000 литров. Акрил — полиметилметакрилат (ПММА) — основная альтернатива, благодаря которой стали возможны очень большие аквариумы. Задокументированные различия:

• Масса: плотность ПММА 1,17–1,20 г/см³ — примерно вдвое меньше, чем у стекла (2,2–2,53 г/см³).
• Удар: ударная прочность ПММА выше, чем у стекла, и обычно он раскалывается на крупные тупые куски, а не разлетается.
• Царапины: стекло устойчивее к царапинам; акрил мягче и царапается легче, но царапины можно заполировать. Литой акрил устойчивее к царапинам, чем экструдированный.
• Крейзы (серебрение): под растягивающим напряжением в стеклообразных полимерах возникают крейзы — тонкие сети микропустот, которые зарождаются у царапин и дефектов, рассеивают свет и часто предшествуют хрупкому разрушению. Литой акрил лучше экструдированного сопротивляется крейзообразованию под действием растворителей.
• Химические вещества: ПММА набухает и растворяется во многих органических растворителях и плохо устойчив ко многим другим химикатам.
• Соединения и формы: акриловые панели сваривают растворяющими клеями, из них можно делать необычные формы; акрил также лучше держит тепло, что облегчает поддержание тропической температуры.
• Стоимость: стекло обычно дешевле, хотя для очень больших аквариумов разница в цене практически исчезает.