Wanneer Hooke's Law nie meer genoeg is nie...

Volgens Hooke se wet wat uit skoolhandboeke bekend is, moet die verlenging van 'n liggaam direk eweredig wees aan die toegepaste spanning. Baie materiale wat in moderne tegnologie en alledaagse lewe van groot belang is, voldoen egter net byna aan hierdie wet of tree heeltemal anders op. Fisici en ingenieurs sê dat sulke materiale reologiese eienskappe het. Die studie van hierdie eienskappe sal die onderwerp wees van 'n paar interessante eksperimente.

Reologie is die studie van die eienskappe van materiale wie se gedrag verder gaan as die teorie van elastisiteit gebaseer op die voorgenoemde Hooke se wet. Hierdie gedrag word geassosieer met baie interessante verskynsels. Dit sluit veral in: die vertraging in die terugkeer van die materiaal na sy oorspronklike toestand na 'n spanningsval, dit wil sê elastiese histerese; toename in liggaamsverlenging by konstante spanning, andersins genoem vloei; of 'n veelvuldige toename in die weerstand teen vervorming en hardheid van 'n aanvanklik plastiese liggaam, tot die voorkoms van eienskappe kenmerkend van bros materiale.

lui heerser

Een punt van 'n plastiekliniaal van 30 cm of meer lank word in die banke vasgemaak sodat die liniaal vertikaal is (Fig. 1). Ons verwerp die boonste punt van die liniaal vanaf die vertikaal met slegs 'n paar millimeter en laat dit los. Let daarop dat die vrye deel van die liniaal verskeie kere om die vertikale ewewigsposisie ossilleer en terugkeer na sy oorspronklike toestand (Fig. 1a). Die waargenome ossillasies is harmonies, aangesien by klein defleksies die grootte van die elastiese krag wat as 'n geleide krag optree direk eweredig is aan die defleksie van die einde van die liniaal. Hierdie gedrag van die liniaal word beskryf deur die teorie van elastisiteit. 

Rys. 1. Studie van elastiese histerese met behulp van 'n liniaal

1 - ambulans,

2 - banke, A - afwyking van die einde van die liniaal van die vertikale

In die tweede deel van die eksperiment buig ons die boonste punt van die liniaal met 'n paar sentimeter af, laat dit los en neem sy gedrag waar (Fig. 1b). Nou is hierdie einde stadig besig om terug te keer na die ewewigsposisie. Dit is as gevolg van die oormaat van die elastiese limiet van die liniaalmateriaal. Hierdie effek word genoem elastiese histerese. Dit bestaan ​​uit die stadige terugkeer van die misvormde liggaam na sy oorspronklike toestand. As ons hierdie laaste eksperiment herhaal deur die boonste punt van die liniaal nog meer te kantel, sal ons vind dat die terugkeer daarvan ook stadiger sal wees en tot 'n paar minute kan neem. Daarbenewens sal die liniaal nie presies na die vertikale posisie terugkeer nie en bly dit permanent gebuig. Die effekte wat in die tweede deel van die eksperiment beskryf word, is net een van reologie-navorsingsvakke.

Terugkerende voël of spinnekop

Vir die volgende ervaring sal ons 'n goedkoop en maklik om te koop speelding gebruik (soms selfs beskikbaar in kiosks). Dit bestaan ​​uit 'n plat beeldjie in die vorm van 'n voël of ander dier, soos 'n spinnekop, verbind deur 'n lang band met 'n ringvormige handvatsel (Fig. 2a). Die hele speelding is gemaak van 'n veerkragtige, rubberagtige materiaal wat effens taai is om aan te raak. Die band kan baie maklik gerek word, deur sy lengte verskeie kere te vergroot sonder om dit te skeur. Ons doen 'n eksperiment naby 'n gladde oppervlak, soos spieëlglas of 'n meubelmuur. Met die vingers van een hand, hou die handvatsel vas en maak 'n waai en gooi die speelding op 'n gladde oppervlak. Jy sal sien dat die beeldjie aan die oppervlak kleef en die band styf bly. Ons hou aan om die handvatsel vir 'n paar tientalle sekondes of meer met ons vingers vas te hou.

Rys. 2. 'n Aanskoulike voorbeeld van elastiese histerese, getoon met 'n terugkruising

1 - spinnekopbeeldjie, 2 - rekkie,

3 - handvatsel, 4 - palm, 5 - oppervlak

Na 'n rukkie merk ons ​​dat die beeldjie skielik van die oppervlak af sal kom en, aangetrek deur 'n hitte-krimpband, vinnig na ons hand sal terugkeer. In hierdie geval, soos in die vorige eksperiment, is daar ook 'n stadige verval van spanning, dit wil sê elastiese histerese. Die elastiese kragte van die gestrekte band oorkom die kragte van adhesie van die patroon aan die oppervlak, wat mettertyd verswak. As gevolg hiervan keer die figuur terug na die hand. Die materiaal van die speelding wat in hierdie eksperiment gebruik word, word deur reoloë genoem viskoelasties. Hierdie naam word geregverdig deur die feit dat dit beide klewerige eienskappe vertoon - wanneer dit aan 'n gladde oppervlak kleef, en elastiese eienskappe - waardeur dit van hierdie oppervlak wegbreek en na sy oorspronklike toestand terugkeer.

dalende man

Foto 1. 'n Beeldjie wat teen 'n vertikale muur afsak, ​​is ook 'n goeie voorbeeld van elastiese histerese.

Hierdie eksperiment sal ook 'n geredelik beskikbare speelding van viskoelastiese materiaal gebruik (foto 1). Dit word gemaak in die vorm van 'n figuur van 'n man of 'n spinnekop. Ons gooi hierdie speelding met ontplooide ledemate en onderstebo op 'n plat vertikale oppervlak, verkieslik op 'n glas-, spieël- of meubelmuur. 'n Gegooide voorwerp kleef aan hierdie oppervlak. Na 'n rukkie, waarvan die duur onder meer afhang van die ruwheid van die oppervlak en die spoed van gooi, kom die bokant van die speelding af. Dit gebeur as gevolg van wat vroeër bespreek is. elastiese histerese en die aksie van die gewig van die figuur, wat die elastiese krag van die gordel vervang, wat in die vorige eksperiment teenwoordig was.

Onder die invloed van gewig buig die losstaande deel van die speelding af en breek verder af totdat die deel weer aan die vertikale oppervlak raak. Na hierdie aanraking begin die volgende gom van die figuur aan die oppervlak. As gevolg hiervan sal die figuur weer vasgeplak word, maar in 'n kop-af posisie. Die prosesse wat hieronder beskryf word, word herhaal, met die figure wat afwisselend die bene en dan die kop afskeur. Die effek is dat die figuur langs 'n vertikale oppervlak afsak, ​​wat skouspelagtige draaie maak.

Vloeibare plasticine

Rys. 3. Plastisienvloeitoets

a) aanvanklike situasie, b) finale situasie;

1 - palm, 2 - boonste deel van plasticine,

3 - aanwyser, 4 - vernouing, 5 - geskeurde stuk plasticine

In hierdie en verskeie daaropvolgende eksperimente sal ons die plasticine gebruik wat in speelgoedwinkels beskikbaar is, bekend as "magic klei" of "tricoline". Ons knie 'n stuk plasticine in 'n vorm soortgelyk aan 'n halter, ongeveer 4 cm lank en met 'n deursnee van dikker dele binne 1-2 cm en 'n vernouende deursnee van ongeveer 5 mm (Fig. 3a). Ons gryp die gietvorm met ons vingers aan die boonste punt van die dikker deel en hou dit roerloos of hang dit vertikaal langs die geïnstalleerde merker wat die ligging van die onderkant van die dikker deel aandui.

As ons die posisie van die onderkant van die plasticine waarneem, merk ons ​​op dat dit stadig afbeweeg. In hierdie geval word die middelste deel van die plasticine saamgepers. Hierdie proses word die vloei of kruip van die materiaal genoem en bestaan ​​uit die verhoging van die verlenging daarvan onder die werking van konstante spanning. In ons geval word hierdie spanning veroorsaak deur die gewig van die onderste deel van die plasticine-halter (Fig. 3b). Uit 'n mikroskopiese oogpunt huidige dit is die gevolg van 'n verandering in die struktuur van die materiaal wat vir 'n voldoende lang tyd aan vragte onderwerp word. Op 'n stadium is die sterkte van die vernoude deel so klein dat dit onder die gewig van die onderste deel van die plasticine alleen breek. Die vloeitempo hang af van baie faktore, insluitend die tipe materiaal, die hoeveelheid en metode om spanning daarop toe te pas.

Die plasticine wat ons gebruik is uiters sensitief vir vloei, en ons kan dit met die blote oog in net 'n paar tientalle sekondes sien. Dit is die moeite werd om by te voeg dat towerklei per ongeluk in die Verenigde State uitgevind is, tydens die Tweede Wêreldoorlog, toe pogings aangewend is om 'n sintetiese materiaal te vervaardig wat geskik is vir die vervaardiging van bande vir militêre voertuie. As gevolg van onvolledige polimerisasie is 'n materiaal verkry waarin 'n sekere aantal molekules ongebonde was, en bindings tussen ander molekules kon maklik hul posisie verander onder die invloed van eksterne faktore. Hierdie "bonsende" skakels dra by tot die wonderlike eienskappe van bonsende klei.

verdwaalde bal

Rys. 4. Stel vir die toets van plasticine vir verspreiding en spanningsverslapping:

a) aanvanklike situasie, b) finale situasie; 1 - staal bal,

2 - deursigtige houer, 3 - plasticine, 4 - basis

Druk nou die towerplastiek in 'n klein deursigtige bakkie, oop aan die bokant, en maak seker dat daar geen lugborrels in is nie (Fig. 4a). Die hoogte en deursnee van die houer moet 'n paar sentimeter wees. Plaas 'n staalbal van ongeveer 1,5 cm in deursnee in die middel van die boonste oppervlak van die plasticine Ons los die houer met die bal alleen. Elke paar uur neem ons die posisie van die bal waar. Let daarop dat dit dieper en dieper in die plasticine gaan, wat op sy beurt in die spasie bo die oppervlak van die bal ingaan.

Na 'n voldoende lang tyd, wat afhang van: die gewig van die bal, die tipe plasticine wat gebruik word, die grootte van die bal en die pan, die omgewingstemperatuur, merk ons ​​dat die bal die bodem van die pan bereik. Die spasie bokant die bal sal heeltemal met plasticine gevul word (Fig. 4b). Hierdie eksperiment toon dat die materiaal vloei en stresverligting.

Springende plasticine

Vorm 'n bal van tower speeldeeg en gooi dit vinnig op 'n harde oppervlak soos die vloer of muur. Ons merk met verbasing dat die plasticine soos 'n springrubberbal van hierdie oppervlaktes af weerkaats. Magic klei is 'n liggaam wat beide plastiese en elastiese eienskappe kan vertoon. Dit hang af van hoe vinnig die las daarop sal inwerk.

Wanneer spanning stadig toegepas word, soos in die geval van knie, vertoon dit plastiese eienskappe. Aan die ander kant, met die vinnige toepassing van krag, wat plaasvind wanneer dit teen 'n vloer of muur bots, vertoon plasticine elastiese eienskappe. Toorklei kan kortliks 'n plastiek-elastiese liggaam genoem word.

Treksterkte plasticine

Foto 2. Die effek van stadige rek van towerklei (die lengte van die gestrekte vesel is ongeveer 60 cm)

Vorm hierdie keer 'n magiese plasticine-silinder van ongeveer 1 cm in deursnee en 'n paar sentimeter lank. Neem albei punte met die vingers van jou regter- en linkerhand en stel die roller horisontaal. Dan sprei ons ons arms stadig na die kante in een reguit lyn, waardeur die silinder in die aksiale rigting laat rek. Ons voel dat die plasticine amper geen weerstand bied nie, en ons merk dat dit in die middel vernou.

Die lengte van die plasticine-silinder kan tot 'n paar tientalle sentimeter vergroot word totdat 'n dun draadjie in die sentrale deel daarvan gevorm word, wat mettertyd sal breek (foto 2). Hierdie ervaring toon dat deur stadig stres op 'n plastiek-elastiese liggaam toe te pas, 'n mens 'n baie groot vervorming kan veroorsaak sonder om dit te vernietig.

harde plasticine

Ons berei die magiese plastieksilinder op dieselfde manier as in die vorige eksperiment voor en draai ons vingers op dieselfde manier om sy punte. Nadat ons ons aandag gekonsentreer het, sprei ons ons arms so vinnig as moontlik na die kante en wil die silinder skerp strek. Dit blyk dat ons in hierdie geval 'n baie hoë weerstand van plasticine voel, en die silinder, verrassend genoeg, word glad nie verleng nie, maar breek in die helfte van sy lengte, asof dit met 'n mes gesny word (foto 3). Hierdie eksperiment toon ook dat die aard van die vervorming van 'n plastiek-elastiese liggaam afhang van die tempo van stresaanwending.

Plastisien is broos soos glas

Foto 3. Die resultaat van die vinnige rek van magiese plasticine - jy kan baie keer minder verlenging en 'n skerp rand sien, wat lyk soos 'n kraak in 'n bros materiaal

Hierdie eksperiment wys nog duideliker hoe die strestempo die eienskappe van 'n plastiek-elastiese liggaam beïnvloed. Vorm 'n bal met 'n deursnee van ongeveer 1,5 cm van towerklei en plaas dit op 'n soliede, massiewe basis, soos 'n swaar staalplaat, aambeeld of betonvloer. Slaan die bal stadig met 'n hamer wat minstens 0,5 kg weeg (Fig. 5a). Dit blyk dat die bal in hierdie situasie soos 'n plastiese liggaam optree en plat raak nadat 'n hamer daarop geval het (Fig. 5b).

Vorm die platgedrukte plasticine weer in 'n bal en plaas dit soos voorheen op die bord. Weereens slaan ons die bal met 'n hamer, maar hierdie keer probeer ons dit so vinnig as moontlik doen (Fig. 5c). Dit blyk dat die plastiekbal in hierdie geval optree asof dit van 'n brose materiaal, soos glas of porselein, gemaak is, en by impak breek dit in alle rigtings in stukke (Fig. 5d).

Termiese masjien op farmaseutiese rubberbande

Stres in reologiese materiale kan verminder word deur hul temperatuur te verhoog. Ons sal hierdie effek in 'n hitte-enjin met 'n verrassende werkingsbeginsel gebruik. Om dit saam te stel, sal jy nodig hê: 'n blikkruik-skroefdop, 'n dosyn of so kort rekkies, 'n groot naald, 'n reghoekige stuk dun plaatmetaal en 'n lamp met 'n baie warm gloeilamp. Die ontwerp van die motor word in Fig. 6 getoon. Om dit te monteer, sny die middelste deel van die deksel uit sodat 'n ring verkry word.

Rys. 5. Metode om plasticine en bros eienskappe van plasticine te demonstreer

a) stadig slaan die bal b) stadig slaan

c) 'n vinnige hou op die bal, d) die effek van 'n vinnige hou;

1 - plasticine bal, 2 - soliede en massiewe plaat, 3 - hamer,

v - hamerspoed

In die middel van hierdie ring sit ons 'n naald, wat die as is, en sit rekkies daarop sodat hulle in die middel van hul lengte teen die ring rus en sterk gestrek word. Die elastiese bande moet simmetries op die ring geplaas word, dus word 'n wiel met speke wat uit elastiese bande gevorm word verkry. Buig 'n stuk plaatmetaal in 'n kramponvorm met die arms uitgestrek, sodat jy die voorheen gemaakde sirkel tussen hulle kan plaas en die helfte van sy oppervlak kan bedek. Aan die een kant van die cantilever, by albei sy vertikale kante, maak ons ​​'n uitsny wat ons toelaat om die wielas daarin te plaas.

Plaas die wielas in die uitsny van die steun. Ons draai die wiel met ons vingers en kyk of dit gebalanseerd is, m.a.w. stop dit in enige posisie. As dit nie die geval is nie, balanseer die wiel deur die plek waar die rubberbande die ring ontmoet, effens te skuif. Sit die hakie op die tafel en verlig die deel van die sirkel wat uit sy boë uitsteek met 'n baie warm lamp. Dit blyk dat die wiel na 'n rukkie begin draai.

Die rede vir hierdie beweging is die konstante verandering in die posisie van die massamiddelpunt van die wiel as gevolg van 'n effek wat reoloë genoem word. termiese spanning ontspanning.

Hierdie ontspanning is gebaseer op die feit dat 'n hoogs gespanne elastiese materiaal saamtrek wanneer dit verhit word. In ons enjin is hierdie materiaal rubberbande aan die wielkant wat uit die bracket-beugel uitsteek en deur 'n gloeilamp verhit word. As gevolg hiervan word die massamiddelpunt van die wiel verskuif na die kant wat deur die steunarms bedek word. As gevolg van die rotasie van die wiel, val die verhitte rubberbande tussen die skouers van die ondersteuning en koel af, aangesien hulle daar weggesteek is van die gloeilamp. Afgekoelde uitveërs verleng weer. Die volgorde van die beskryfde prosesse verseker die deurlopende rotasie van die wiel.

Nie net skouspelagtige eksperimente nie

Rys. 6. Die ontwerp van 'n hitte-enjin gemaak van farmaseutiese rubberbande

a) sy-aansig

b) sny deur 'n aksiale vlak; 1 - ring, 2 - naald, 3 - farmaseutiese uitveër,

4 - hakie, 5 - uitsny in die hakie, 6 - gloeilamp

Nou reologie is 'n vinnig ontwikkelende veld van belangstelling vir beide fisici en spesialiste op die gebied van tegniese wetenskappe. Reologiese verskynsels kan in sommige situasies 'n nadelige uitwerking hê op die omgewing waarin dit voorkom en moet in ag geneem word, byvoorbeeld wanneer groot staalstrukture ontwerp word wat mettertyd vervorm. Hulle spruit uit die verspreiding van die materiaal onder die werking van waarnemende vragte en sy eie gewig.

Akkurate metings van die dikte van die koperplate wat steil dakke en loodglasvensters in historiese kerke bedek, het getoon dat hierdie elemente aan die onderkant dikker is as aan die bokant. Dit is die resultaat huidigebeide koper en glas onder hul eie gewig vir 'n paar honderd jaar. Reologiese verskynsels word ook in baie moderne en ekonomiese vervaardigingstegnologieë gebruik. 'n Voorbeeld is plastiekherwinning. Die meeste produkte wat van hierdie materiale gemaak word, word tans deur ekstrusie, trek en blaasvorm vervaardig. Dit word gedoen nadat die materiaal verhit is en druk daarop toegepas word teen 'n toepaslik geselekteerde tempo. So, onder andere, foelies, stawe, pype, vesels, asook speelgoed en masjienonderdele met komplekse vorms. Baie belangrike voordele van hierdie metodes is lae koste en nie-vermorsing.