Природные камни и шкала твердости Мооса

«Все познается в сравнении» — эта фраза Рене Декарта уже давно воспринимается как народная мудрость. Человеку свойственно искать и находить сходства и отличия, и он делает это постоянно, с удовольствием и пользой для себя. Сравнение помогает принимать решения и делать выбор, дает в руки инструменты и учит их использовать.

Разница от прикосновения ко льду, воде и пару на уровне сравнения ощущений известна каждому. Андерс Цельсий основал на этом свою шкалу измерения температуры и с тех пор человечество отсчитывает температуру от точки замерзания воды.

Карл Фридрих Моос – профессор минералогии из университета в Граце (Австрия). Занимаясь изучением механических характеристик минералов и горных пород, он сравнивал их попарно пытаясь повредить поверхность одного из них острой гранью другого. Результатом исследований стала шкала твердости Мооса — простой и удобный инструмент для качественного сравнения материалов.

Принцип построения шкалы

В основе этого простого, как и все гениальные изобретения, метода лежит принцип попарного сравнения образца, твердость которого подлежит определению, с эталонным рядом минералов. Основная сложность состояла в подборе оригинальной последовательности материалов и расположению их в строгом порядке возрастания или убывания твердости. Для решения этой задачи как нельзя лучше пришлась идея сравнивать образцы путем попытки нанесения царапин одним из них на поверхности другого.

Проведенные эксперименты помогли блестящему ученому не только построить простую и логичную шкалу, но и использовать для нее минералы, которые широко распространены в природе. Сегодня воспользоваться эталонным набором из талька, гипса, кальцита, флюорита, апатита, шпата, кварца, топаза, корунда и алмаза может и студент университета в учебной лаборатории, и геолог в экспедиции на краю света.

Несмотря на весьма приблизительную точность определения твердости шкала Мооса очень популярна и используется во всем мире.

Следует помнить — шкала не является пропорциональной и, например, твердость корунда и соседнего с ним алмаза в абсолютных единицах отличается в 140 раз, а у других соседей по шкале кальцита и флюорита всего на 0,5 ед.

Возможные применения

Использование методики профессора Мооса для практических применений заключается в последовательном использовании минералов из эталонного набора для нанесения испытуемому материалу повреждения в виде царапины. Так гранит (в зависимости от содержания в нем кварца) может царапать апатит (твердость 5) и полевой шпат (твердость 6), но сам может быть поцарапан кварцем, что позволяет присвоить ему значение 5,5-6,5 по шкале, а гарнит габбродиабаз равен по твердости кварцу – 7,0.

Такая несложная техника измерений позволяет геологам применять методику в полевых условиях для идентификации минералов.

Ювелиры пользуются ей для выбора способа обработки драгоценных камней, который зависит от их твердости, а также для подбора соответствующего инструмента и шлифовального материала. Еще одно применение – определение подделок под драгоценные камни – они всегда обладают более низкой твердостью, чем оригинальные камни.

В строительстве знание твердости по шкале Мооса помогает подобрать адекватную замену отсутствующему или недоступному на данный момент материалу. Например, заложенная в проекте брусчатка гранитная на мостовой может быть заменена на брусчатку габбро, у которой значение твердости выше.

В повседневной практике понимание возможностей и характеристик камней в ювелирных изделиях и бижутерии позволит правильно организовать их хранение и использование, избежать царапин и других повреждений.

Относительная и абсолютная твердость

Помимо качественного сравнения материалов по их относительной твердости в материаловедении, и минералогии в частности, используются также количественные методы, позволяющие определить абсолютные значения твердости. Эти методы, в основном заимствованные из металлографии, основаны на измерении размеров углубления, которое образуется в испытуемом минерале (металле) при давлении на его поверхность металлическим шариком или алмазной пирамидой.

Первый из них (с использованием шарика) был предложен шведом Бринеллем и воплощен в приборах, именуемых прессами Бринелля. Второй (с пирамидкой из алмаза) разработан английским концерном «Виккерс лтд.» и получил название — метод Виккерса. Измеряют абсолютную твердость по этим шкалам в кгс/мм2, а прибор, в котором игла из стали или алмаза царапает испытуемый образец называется склерометром.

Еще один способ количественного определения твердости – метод Розиваля. Он основан на измерении объема образца материала в результате шлифовки одной из его граней. Твердость при шлифовании – величина обратная объему стертого материала. За эталон принята твердость кварца, которая соответствует на этой шкале значению 100 ед.