Kai Huko dėsnio nebeužtenka...

Pagal Huko dėsnį, žinomą iš mokyklinių vadovėlių, kūno pailgėjimas turi būti tiesiogiai proporcingas taikomam įtempiui. Tačiau daugelis šiuolaikinėse technologijose ir kasdieniame gyvenime didelę reikšmę turinčių medžiagų tik apytiksliai atitinka šį dėsnį arba elgiasi visiškai kitaip. Fizikai ir inžinieriai teigia, kad tokios medžiagos turi reologinių savybių. Šių savybių tyrimas bus įdomių eksperimentų objektas.

Reologija yra medžiagų, kurių elgesys peržengia elastingumo teorijos ribas, savybes, remiantis minėtu Huko dėsniu. Toks elgesys yra susijęs su daugybe įdomių reiškinių. Tai visų pirma apima: medžiagos grįžimo į pradinę būseną vėlavimą po įtampos kritimo, ty elastinę histerezę; kūno pailgėjimo padidėjimas esant nuolatiniam stresui, kitaip vadinamas srautu; arba daugkartinis iš pradžių plastiško korpuso atsparumo deformacijai ir kietumo padidėjimas iki trapioms medžiagoms būdingų savybių atsiradimo.

tingus valdovas

Vienas plastikinės 30 cm ar ilgesnės liniuotės galas tvirtinamas spaustukų nasruose taip, kad liniuotė būtų vertikali (1 pav.). Viršutinį liniuotės galą nuo vertikalės atmetame tik keliais milimetrais ir atleidžiame. Atkreipkite dėmesį, kad laisva liniuotės dalis keletą kartų svyruoja aplink vertikalią pusiausvyros padėtį ir grįžta į pradinę būseną (1a pav.). Stebimi svyravimai yra harmoningi, nes esant mažiems įlinkiams tamprumo jėgos, veikiančios kaip kreipiančiosios jėgos, dydis yra tiesiogiai proporcingas liniuotės galo nuokrypiui. Tokį valdovo elgesį apibūdina tamprumo teorija. 

Ryžiai. 1. Elastinės histerezės tyrimas naudojant liniuotę

1 – greitoji pagalba,

2 - spaustukų nasrai, A - liniuotės galo nukrypimas nuo vertikalės

Antroje eksperimento dalyje keliais centimetrais atlenkiame viršutinį liniuotės galą, atleidžiame ir stebime jo elgesį (1b pav.). Dabar šis galas pamažu grįžta į pusiausvyros padėtį. Taip yra dėl liniuotės medžiagos tamprumo ribos perviršio. Šis efektas vadinamas elastinė histerezė. Jį sudaro lėtas deformuoto kūno grįžimas į pradinę būseną. Jei šį paskutinį eksperimentą pakartosime dar labiau pakreipdami viršutinį liniuotės galą, pamatysime, kad jos grįžimas taip pat bus lėtesnis ir gali užtrukti iki kelių minučių. Be to, liniuotė negrįš tiksliai į vertikalią padėtį ir liks visam laikui sulenkta. Antroje eksperimento dalyje aprašyti efektai yra tik vienas iš reologijos tiriamieji dalykai.

Grįžtantis paukštis ar voras

Kitai patirčiai naudosime pigų ir lengvai įsigyjamą žaislą (kartais net ir kioskuose). Jį sudaro plokščia paukščio ar kito gyvūno, pavyzdžiui, voro, pavidalo figūrėlė, sujungta ilgu dirželiu su žiedo formos rankena (2a pav.). Visas žaislas pagamintas iš elastingos, panašios į gumą medžiagos, kuri yra šiek tiek lipni liesti. Juostą galima labai lengvai ištempti, kelis kartus padidinant jos ilgį jos nenuplėšiant. Eksperimentą atliekame šalia lygaus paviršiaus, pavyzdžiui, veidrodinio stiklo ar baldų sienos. Vienos rankos pirštais laikykite už rankenos ir padarykite bangą, taip užmesdami žaislą ant lygaus paviršiaus. Pastebėsite, kad figūrėlė prilimpa prie paviršiaus, o juosta išlieka įtempta. Mes ir toliau laikome rankeną pirštais keliasdešimt ar daugiau sekundžių.

Ryžiai. 2. Ryškus elastinės histerezės pavyzdys, parodytas naudojant grįžtamąjį kryžių

1 - voro figūrėlė, 2 - guminė juosta,

3 - rankena, 4 - delnas, 5 - paviršius

Po kurio laiko pastebime, kad figūrėlė staigiai nulips nuo paviršiaus ir, patraukta termiškai susitraukiančios juostos, greitai grįš į mūsų ranką. Šiuo atveju, kaip ir ankstesniame eksperimente, taip pat yra lėtas įtampos mažėjimas, ty elastinė histerezė. Ištemptos juostos elastinės jėgos įveikia rašto sukibimo su paviršiumi jėgas, kurios laikui bėgant susilpnėja. Dėl to figūra grįžta į ranką. Šiame eksperimente panaudoto žaislo medžiagą vadina reologai viskoelastingas. Tokį pavadinimą pateisina tai, kad jis pasižymi ir lipnumo savybėmis – kai prilimpa prie lygaus paviršiaus, ir elastingumo – dėl to atitrūksta nuo šio paviršiaus ir grįžta į pradinę būseną.

nusileidžiantis žmogus

Nuotrauka 1. Statulėlė, besileidžianti vertikalia siena, taip pat yra puikus elastinės histerezės pavyzdys.

Šiame eksperimente taip pat bus naudojamas lengvai prieinamas žaislas, pagamintas iš viskoelastinės medžiagos (1 nuotrauka). Jis pagamintas iš vyro ar voro figūros. Šį žaislą metame išskleistomis galūnėmis ir apverstą aukštyn kojomis ant lygaus vertikalaus paviršiaus, geriausia ant stiklo, veidrodžio ar baldų sienos. Prie šio paviršiaus prilimpa išmestas daiktas. Po kurio laiko, kurio trukmė, be kita ko, priklauso nuo paviršiaus šiurkštumo ir metimo greičio, žaislo viršus nulipa. Tai atsitinka dėl to, kas buvo aptarta anksčiau. elastinė histerezė ir figūros svorio veiksmas, pakeičiantis diržo tamprumo jėgą, kuri buvo ankstesniame eksperimente.

Svorio įtakoje atskilusi žaislo dalis pasilenkia ir nutrūksta toliau, kol dalis vėl paliečia vertikalų paviršių. Po šio prisilietimo prasideda kitas figūros klijavimas prie paviršiaus. Dėl to figūra vėl bus priklijuota, bet galva žemyn. Toliau aprašyti procesai kartojami, figūroms pakaitomis nuplėšiant kojas, o paskui galvą. Poveikis yra tas, kad figūra nusileidžia vertikaliu paviršiumi ir daro įspūdingus apsivertimus.

Skystas plastilinas

Ryžiai. 3. Plastilino srauto bandymas

a) pradinė situacija, b) galutinė padėtis;

1 - delnas, 2 - viršutinė plastilino dalis,

3 - indikatorius, 4 - susiaurėjimas, 5 - suplėšytas plastilino gabalas

Šiame ir keliuose tolesniuose eksperimentuose naudosime žaislų parduotuvėse esantį plastiliną, žinomą kaip „stebuklingasis molis“ arba „trikolinas“. Minkome plastilino gabalėlį, panašią į hantelį, maždaug 4 cm ilgio ir storesnių dalių skersmuo per 1-2 cm ir siaurėjančio skersmens apie 5 mm (3a pav.). Lipdinį suimame pirštais už storesnės dalies viršutinio galo ir laikome nejudėdami arba pakabiname vertikaliai šalia sumontuoto žymeklio, nurodančio storesnės dalies apatinio galo vietą.

Stebėdami apatinio plastilino galo padėtį, pastebime, kad jis lėtai juda žemyn. Šiuo atveju vidurinė plastilino dalis suspaudžiama. Šis procesas vadinamas medžiagos tekėjimu arba šliaužimu ir susideda iš jos pailgėjimo didinimo, veikiant nuolatiniam įtempimui. Mūsų atveju šį įtempimą sukelia plastilininio hantelio apatinės dalies svoris (3b pav.). Mikroskopiniu požiūriu dabartinis tai yra pakankamai ilgą laiką apkrovų veikiamos medžiagos struktūros pasikeitimo rezultatas. Vienu metu susiaurėjusios dalies stiprumas būna toks mažas, kad lūžta vien nuo apatinės plastilino dalies svorio. Srauto greitis priklauso nuo daugelio veiksnių, įskaitant medžiagos tipą, įtempių kiekį ir metodą.

Mūsų naudojamas plastilinas yra itin jautrus tekėjimui, o plika akimi jį matome vos per kelias dešimtis sekundžių. Verta pridurti, kad stebuklingas molis buvo išrastas atsitiktinai JAV, Antrojo pasaulinio karo metais, kai buvo bandoma pagaminti sintetinę medžiagą, tinkamą karinių transporto priemonių padangų gamybai. Dėl nepilnos polimerizacijos buvo gauta medžiaga, kurioje tam tikras skaičius molekulių buvo nesurištos, o ryšiai tarp kitų molekulių gali lengvai pakeisti savo padėtį veikiant išoriniams veiksniams. Šios „atšokančios“ nuorodos prisideda prie nuostabių atšokančio molio savybių.

pasiklydęs kamuolys

Ryžiai. 4. Rinkinys plastilino sklaidymui ir streso atsipalaidavimui bandymui:

a) pradinė situacija, b) galutinė padėtis; 1 - plieninis rutulys,

2 - skaidrus indas, 3 - plastilinas, 4 - pagrindas

Dabar išspauskite stebuklingą plastiliną į mažą permatomą indą, atidarykite viršuje, įsitikinkite, kad jame nėra oro burbuliukų (4a pav.). Indo aukštis ir skersmuo turi būti keli centimetrai. Viršutinio plastilino paviršiaus centre dedame apie 1,5 cm skersmens plieninį rutulį.Indą su kamuoliuku paliekame ramybėje. Kas kelias valandas stebime kamuoliuko padėtį. Atkreipkite dėmesį, kad jis vis giliau patenka į plastiliną, kuris, savo ruožtu, patenka į erdvę virš rutulio paviršiaus.

Po pakankamai ilgo laiko, kuris priklauso nuo: rutulio svorio, naudojamo plastilino rūšies, kamuoliuko ir keptuvės dydžio, aplinkos temperatūros, pastebime, kad rutulys pasiekia keptuvės dugną. Virš rutulio esanti erdvė bus visiškai užpildyta plastilinu (4b pav.). Šis eksperimentas rodo, kad medžiaga teka ir streso sumažinimas.

Šokinėja plastilinas

Suformuokite stebuklingos tešlos rutulį ir greitai užmeskite jį ant kieto paviršiaus, pavyzdžiui, grindų ar sienos. Su nuostaba pastebime, kad plastilinas atšoka nuo šių paviršių kaip atšokęs guminis rutulys. Magiškasis molis yra kūnas, galintis pasižymėti ir plastinėmis, ir elastinėmis savybėmis. Tai priklauso nuo to, kaip greitai apkrova jį veiks.

Kai įtempiai veikiami lėtai, kaip ir minkant, jis pasižymi plastinėmis savybėmis. Kita vertus, kai jėga veikia greitai, o tai atsitinka susidūrus su grindimis ar siena, plastilinas pasižymi tamprumo savybėmis. Stebuklingąjį molį trumpai galima pavadinti plastiškai elastingu korpusu.

Tempiamas plastilinas

Nuotrauka 2. Magiško molio lėto tempimo efektas (ištempto pluošto ilgis apie 60 cm)

Šį kartą suformuokite apie 1 cm skersmens ir kelių centimetrų ilgio stebuklingą plastilino cilindrą. Paimkite abu galus dešinės ir kairės rankos pirštais ir nustatykite volelį horizontaliai. Tada lėtai ištiesiame rankas į šonus viena tiesia linija, todėl cilindras išsitiesia ašine kryptimi. Jaučiame, kad plastilinas beveik nesipriešina ir pastebime, kad per vidurį jis susiaurėja.

Plastilino cilindro ilgį galima padidinti iki kelių dešimčių centimetrų, kol centrinėje jo dalyje susidarys plonas siūlas, kuris laikui bėgant nutrūks (2 nuotrauka). Ši patirtis rodo, kad plastiškai elastingą korpusą lėtai taikant įtempimą, galima sukelti labai didelę deformaciją jo nesuardant.

kietas plastilinas

Stebuklingąjį plastilino cilindrą ruošiame taip pat, kaip ir ankstesniame eksperimente, taip pat pirštais apvyniojame jo galus. Sukoncentravę dėmesį, kuo greičiau ištiesiame rankas į šonus, norėdami staigiai ištempti cilindrą. Pasirodo, tokiu atveju jaučiame labai didelį plastilino atsparumą, o cilindras, stebėtinai, nė kiek nepailgėja, o lūžta per pusę, tarsi perpjautas peiliu (3 nuotrauka). Šis eksperimentas taip pat rodo, kad plastikinio elastingo kūno deformacijos pobūdis priklauso nuo įtempių taikymo greičio.

Plastilinas yra trapus kaip stiklas

Nuotrauka 3. Greito magiško plastilino tempimo rezultatas – matosi daug kartų mažesnis pailgėjimas ir aštrus kraštas, panašus į trapios medžiagos įtrūkimą

Šis eksperimentas dar aiškiau parodo, kaip įtempių laipsnis veikia plastikinio elastingo kūno savybes. Iš stebuklingo molio suformuokite maždaug 1,5 cm skersmens rutulį ir padėkite jį ant tvirto, masyvaus pagrindo, pavyzdžiui, sunkios plieninės plokštės, priekalo ar betoninių grindų. Lėtai muškite rutulį bent 0,5 kg sveriančiu plaktuku (5a pav.). Pasirodo, šioje situacijoje rutulys elgiasi kaip plastikinis korpusas ir išsilygina ant jo užkritus plaktukui (5b pav.).

Iš suploto plastilino vėl suformuokite rutulį ir dėkite ant lėkštės kaip anksčiau. Vėl mušame kamuolį plaktuku, bet šį kartą stengiamės tai padaryti kuo greičiau (5c pav.). Pasirodo, plastilino rutulys šiuo atveju elgiasi taip, lyg būtų pagamintas iš trapios medžiagos, tokios kaip stiklas ar porcelianas, ir nuo smūgio sutrupėja į gabalus į visas puses (5d pav.).

Šiluminė mašina ant farmacinių guminių juostų

Reologinių medžiagų įtampą galima sumažinti pakėlus jų temperatūrą. Šį efektą panaudosime šilumos variklyje su stebinančiu veikimo principu. Norėdami jį surinkti, jums reikės: skardinio indelio užsukamo dangtelio, keliolikos trumpų guminių juostų, didelės adatos, stačiakampio plonos skardos ir lempos su labai įkaitusia lempute. Variklio konstrukcija parodyta 6 pav. Norėdami jį surinkti, iš dangtelio išpjaukite vidurinę dalį, kad gautumėte žiedą.

Ryžiai. 5. Plastilino ir plastilino trapių savybių demonstravimo metodas

a) lėtas kamuolio smūgis b) lėtas smūgis

c) greitas smūgis į kamuolį, d) greito smūgio efektas;

1 - plastilino rutulys, 2 - tvirta ir masyvi plokštė, 3 - plaktukas,

v - plaktuko greitis

Šio žiedo centre įdedame adatą, kuri yra ašis, ir ant jos uždedame elastines juostas, kad per vidurį jos atsiremtų į žiedą ir būtų stipriai ištemptos. Tamprios juostos turi būti dedamos simetriškai ant žiedo, taip gaunamas ratas su stipinais, suformuotais iš elastinių juostų. Ištiestomis rankomis sulenkite lakštinio metalo gabalą į siaurą formą, kad galėtumėte tarp jų įdėti anksčiau padarytą apskritimą ir padengti pusę jo paviršiaus. Vienoje konsolės pusėje prie abiejų vertikalių kraštų padarome išpjovą, leidžiančią į ją įdėti rato ašį.

Įdėkite rato ašį į atramos išpjovą. Sukame ratą pirštais ir tikriname ar jis subalansuotas, t.y. ar jis sustoja bet kurioje padėtyje. Jei taip nėra, subalansuokite ratą šiek tiek perkeldami vietą, kur guminės juostos susilieja su žiedu. Padėkite laikiklį ant stalo ir labai karšta lempa apšvieskite apskritimo dalį, išsikišusią iš jo arkų. Pasirodo, po kurio laiko ratas pradeda suktis.

Šio judėjimo priežastis yra nuolatinis rato masės centro padėties pasikeitimas dėl efekto, vadinamo reologais. terminio streso atsipalaidavimas.

Šis atsipalaidavimas pagrįstas tuo, kad stipriai įtempta elastinga medžiaga kaitinant susitraukia. Mūsų variklyje ši medžiaga yra rato pusės guminės juostos, išsikišusios iš laikiklio laikiklio ir šildomos lempute. Dėl to rato masės centras pasislenka į tą pusę, kurią dengia atraminės svirties. Dėl rato sukimosi šildomos guminės juostos patenka tarp atramos pečių ir atvėsta, nes ten jos yra paslėptos nuo lemputės. Atvėsę trintukai vėl pailgėja. Aprašytų procesų seka užtikrina nenutrūkstamą rato sukimąsi.

Ne tik įspūdingi eksperimentai

Ryžiai. 6. Šilumos variklio, pagaminto iš farmacinių guminių juostų, konstrukcija

a) vaizdas iš šono

b) pjūvis ašine plokštuma; 1 - žiedas, 2 - adata, 3 - farmacinis trintukas,

4 - laikiklis, 5 - išpjova laikiklyje, 6 - lemputė

Dabar reologija yra sparčiai besivystanti sritis, dominanti tiek fizikus, tiek technikos mokslų srities specialistus. Reologiniai reiškiniai kai kuriose situacijose gali turėti neigiamą poveikį aplinkai, kurioje jie atsiranda, ir į juos reikia atsižvelgti, pavyzdžiui, projektuojant dideles plienines konstrukcijas, kurios laikui bėgant deformuojasi. Jie atsiranda dėl medžiagos plitimo, veikiant veikiančioms apkrovoms ir savo svoriui.

Tikslūs istorinių bažnyčių stačius stogus ir vitražus dengiančių vario lakštų storio matavimai parodė, kad šie elementai apačioje yra storesni nei viršuje. Tai yra rezultatas dabartinistiek varis, tiek stiklas pagal savo svorį kelis šimtus metų. Reologiniai reiškiniai taip pat naudojami daugelyje modernių ir ekonomiškų gamybos technologijų. Pavyzdys yra plastiko perdirbimas. Dauguma gaminių iš šių medžiagų šiuo metu gaminami ekstruzijos, tempimo ir pūtimo būdu. Tai atliekama pakaitinus medžiagą ir paspaudus ją atitinkamai parinktu greičiu. Taigi, be kita ko, folijos, strypai, vamzdžiai, pluoštai, taip pat sudėtingų formų žaislai ir mašinų dalys. Labai svarbūs šių metodų privalumai – maža kaina ir ne atliekų.