Товщина акваріумного скла: скло чи акрил

Фізика навантажень на стінки акваріума: гідростатичний тиск, чому глибина важливіша за довжину, запас міцності та чим відрізняються флоат-, загартоване, ламіноване скло й акрил.

Тиск води: важить глибина, а не довжина

Навантаження на стінку акваріума створює гідростатичний тиск — статичний тиск ваги стовпа води над певною точкою. Для рідини однорідної густини p = ρgh, де p — тиск, ρ — густина рідини, g — прискорення вільного падіння, h — глибина під поверхнею. Тиск у воді, що перебуває в спокої, діє однаково в усіх напрямках, тому він тисне назовні на кожну стінку та вниз на дно.

Оскільки тиск залежить від глибини та густини, а не від об'єму, біля рівня води він дорівнює нулю, а внизу кожної стінки максимальний. Подвоєння глибини подвоює тиск біля дна. У підручниках фізики це пояснюють на прикладі гребель: широке, але мілке озеро глибиною 3 м створює лише половину середнього тиску невеликого ставка глибиною 6 м, хоча на довшу греблю припадає більша сумарна сила, бо навантажена більша площа. З акваріумом так само: вищий акваріум підвищує тиск на кожну стінку, а довший за тієї самої висоти зберігає тиск, але розподіляє його на більшу панель, що збільшує сумарну силу та проліт, який має перекривати скло.

Приклад розрахунку за формулою: для прісної води густиною близько 1000 кг/м³ і g близько 9,81 м/с² за глибини 0,6 м тиск унизу стінки становитиме приблизно 1000 × 9,81 × 0,6 ≈ 5900 Па (близько 5,9 кПа). Тиск також зростає пропорційно густині рідини, тож густіша рідина на тій самій глибині тисне сильніше.

Напруження в стінці та запас міцності

В інженерії прогин плоскої пластини під навантаженням, перпендикулярним до її поверхні, знаходять, розв'язуючи рівняння згину пластин із правильними граничними умовами — тобто з урахуванням того, як закріплено кожну кромку. З прогину обчислюють напруження, а критерії руйнування показують, чи зламається пластина. До розрахунку входять висота, довжина й товщина стінки, опирання кромок і матеріал.

Коефіцієнт запасу міцності показує, у скільки разів конструкція міцніша, ніж потрібно для максимального очікуваного навантаження; у простій формі це міцність, поділена на робоче напруження. Конструкція з коефіцієнтом 1 витримує лише розрахункове навантаження, а з коефіцієнтом 2 руйнується за подвійного навантаження. Запас покриває непередбачені навантаження, неправильне використання та знос, але сам по собі не робить конструкцію безпечною: важать також виготовлення, монтаж і експлуатація.

Склу потрібен великий запас. Звичайне скло має типову міцність на розтяг близько 7 МПа — значно нижче за теоретичну межу, бо бульбашки й особливо поверхневі дефекти, наприклад подряпини, сильно знижують міцність. Міцність на стиск (близько 1000 МПа) набагато вища, але тріщини ростуть під дією розтягу, і тріщина, що почалася, може поширюватися дуже швидко. Скло крихке й майже не попереджає про руйнування, хоча в акваріумах зазвичай першим відмовляє герметик.

Види скла

• Флоат-скло (відпалене): розплав скла виливають на розплавлене олово, що дає рівномірну товщину та пласку поверхню, потім повільно охолоджують, щоб воно відпалилося без напружень. Зазвичай це натрій-кальцієве скло. Під час руйнування утворює великі гострі уламки неправильної форми.
• Загартоване скло: термічна чи хімічна обробка створює стиск у поверхневих шарах, роблячи його приблизно вчетверо міцнішим за відпалене; розбивається на дрібні гранули. Різати, свердлити та шліфувати кромки треба до гартування, після нього обробка неможлива. Пошкодження будь-де, особливо на кромці, може зруйнувати весь лист, а включення сульфіду нікелю здатні спричинити самочинне руйнування через роки після виготовлення.
• Ламіноване (багатошарове) скло: два або більше шарів скла, склеєних полімерними плівками, які утримують уламки під час руйнування. Іноді застосовується в акваріумах і поєднує частину переваг скла та акрилу.

Скло чи акрил

Більшість акваріумів — це скляні панелі, склеєні силіконовим герметиком; скло стандартне для об'ємів приблизно до 1000 літрів. Акрил — поліметилметакрилат (ПММА) — основна альтернатива, завдяки якій стали можливими дуже великі акваріуми. Задокументовані відмінності:

• Маса: густина ПММА 1,17–1,20 г/см³ — приблизно вдвічі менша, ніж у скла (2,2–2,53 г/см³).
• Удар: ударна міцність ПММА вища, ніж у скла, і зазвичай він розколюється на великі тупі шматки, а не розлітається.
• Подряпини: скло стійкіше до подряпин; акрил м'якший і дряпається легше, але подряпини можна заполірувати. Литий акрил стійкіший до подряпин, ніж екструдований.
• Крейзи (сріблення): під розтягувальним напруженням у склоподібних полімерах виникають крейзи — тонкі сітки мікропорожнин, що зароджуються біля подряпин і дефектів, розсіюють світло й часто передують крихкому руйнуванню. Литий акрил краще за екструдований опирається утворенню крейзів під дією розчинників.
• Хімічні речовини: ПММА набухає й розчиняється в багатьох органічних розчинниках і погано стійкий до багатьох інших хімікатів.
• З'єднання та форми: акрилові панелі зварюють розчинними клеями, з них можна робити незвичні форми; акрил також краще тримає тепло, що полегшує підтримання тропічної температури.
• Вартість: скло зазвичай дешевше, хоча для дуже великих акваріумів різниця в ціні практично зникає.