Når Hookes lov ikke lenger er nok...

I henhold til Hookes lov kjent fra skolebøkene, skal forlengelsen av en kropp være direkte proporsjonal med påført stress. Imidlertid er mange materialer som er av stor betydning i moderne teknologi og hverdagsliv bare omtrent i samsvar med denne loven eller oppfører seg helt annerledes. Fysikere og ingeniører sier at slike materialer har reologiske egenskaper. Studiet av disse egenskapene vil være gjenstand for noen interessante eksperimenter.

Reologi er studiet av egenskapene til materialer hvis oppførsel går utover teorien om elastisitet basert på den nevnte Hookes lov. Denne oppførselen er assosiert med mange interessante fenomener. Disse inkluderer spesielt: forsinkelsen i returen av materialet til sin opprinnelige tilstand etter et spenningsfall, dvs. elastisk hysterese; økning i kroppsforlengelse ved konstant stress, ellers kalt flyt; eller en multippel økning i motstanden mot deformasjon og hardhet til et opprinnelig plastlegeme, opp til utseendet til egenskaper som er karakteristiske for sprø materialer.

lat hersker

Den ene enden av en plastlinjal med lengde 30 cm eller mer festes i skrustikkevene slik at linjalen er vertikal (fig. 1). Vi avviser den øvre enden av linjalen fra vertikalen med bare noen få millimeter og slipper den. Merk at den frie delen av linjalen svinger flere ganger rundt den vertikale likevektsposisjonen og går tilbake til sin opprinnelige tilstand (fig. 1a). De observerte svingningene er harmoniske, siden ved små avbøyninger er størrelsen på den elastiske kraften som fungerer som en styrekraft direkte proporsjonal med avbøyningen av enden av linjalen. Denne oppførselen til linjalen er beskrevet av elastisitetsteorien. 

Ris. 1. Studie av elastisk hysterese ved hjelp av linjal

1 - ambulanse,

2 - skrustikkekjever, A - avvik fra enden av linjalen fra vertikalen

I den andre delen av eksperimentet bøyer vi den øvre enden av linjalen noen centimeter, slipper den og observerer oppførselen (fig. 1b). Nå vender denne enden sakte tilbake til likevektsposisjonen. Dette er på grunn av overskridelsen av den elastiske grensen til linjalmaterialet. Denne effekten kalles elastisk hysterese. Den består i den langsomme tilbakeføringen av den deformerte kroppen til sin opprinnelige tilstand. Hvis vi gjentar dette siste eksperimentet ved å vippe den øvre enden av linjalen enda mer, vil vi oppdage at returen også vil gå langsommere og kan ta opptil flere minutter. I tillegg vil linjalen ikke gå tilbake nøyaktig til vertikal posisjon og vil forbli permanent bøyd. Effektene beskrevet i andre del av eksperimentet er bare én av reologiske forskningsfag.

Tilbakevendende fugl eller edderkopp

Til neste opplevelse vil vi bruke et billig og lettkjøpt leketøy (noen ganger også tilgjengelig i kiosker). Den består av en flat figur i form av en fugl eller et annet dyr, for eksempel en edderkopp, forbundet med en lang stropp med et ringformet håndtak (fig. 2a). Hele leken er laget av et spenstig, gummilignende materiale som er litt klissete å ta på. Tapen kan strekkes veldig enkelt, øke lengden flere ganger uten å rive den. Vi gjennomfører et eksperiment nær en glatt overflate, som speilglass eller en møbelvegg. Hold håndtaket med fingrene på den ene hånden og lag en bølge, og kast leken på en jevn overflate. Du vil legge merke til at figuren fester seg til overflaten og tapen forblir stram. Vi fortsetter å holde håndtaket med fingrene i flere titalls sekunder eller mer.

Ris. 2. Et levende eksempel på elastisk hysterese, vist ved hjelp av et returkryss

1 - edderkoppfigur, 2 - gummibånd,

3 - håndtak, 4 - håndflate, 5 - overflate

Etter en tid legger vi merke til at figuren brått kommer av overflaten og, tiltrukket av et varmekrympetape, raskt kommer tilbake til hånden vår. I dette tilfellet, som i forrige eksperiment, er det også en langsom reduksjon av spenning, dvs. elastisk hysterese. De elastiske kreftene til det strakte båndet overvinner kreftene til adhesjon av mønsteret til overflaten, som svekkes over tid. Som et resultat går figuren tilbake til hånden. Materialet til leketøyet som ble brukt i dette eksperimentet kalles av reologer viskoelastisk. Dette navnet er begrunnet med det faktum at det viser både klebrige egenskaper - når det fester seg til en glatt overflate, og elastiske egenskaper - på grunn av hvilke det bryter bort fra denne overflaten og går tilbake til sin opprinnelige tilstand.

nedstigende mann

Foto 1. En figur som går nedover en vertikal vegg er også et godt eksempel på elastisk hysterese.

Dette eksperimentet vil også bruke et lett tilgjengelig leketøy laget av viskoelastisk materiale (bilde 1). Den er laget i form av en figur av en mann eller en edderkopp. Vi kaster denne leken med utplasserte lemmer og snudd opp ned på en flat vertikal overflate, helst på en glass-, speil- eller møbelvegg. En kastet gjenstand fester seg til denne overflaten. Etter en tid, hvor varigheten blant annet avhenger av overflatens ruhet og kastehastigheten, kommer toppen av leken av. Dette skjer som et resultat av det som ble diskutert tidligere. elastisk hysterese og virkningen av vekten til figuren, som erstatter den elastiske kraften til beltet, som var til stede i forrige forsøk.

Under påvirkning av vekt bøyer den løsrevne delen av leken seg ned og bryter av ytterligere til delen igjen berører den vertikale overflaten. Etter denne berøringen begynner neste liming av figuren til overflaten. Som et resultat vil figuren limes igjen, men i hode ned-posisjon. Prosessene beskrevet nedenfor gjentas, hvor figurene vekselvis river av bena og deretter hodet. Effekten er at figuren går ned langs en vertikal overflate, og gjør spektakulære vendinger.

Flytende plasticine

Ris. 3. Plasticine flow test

a) startsituasjon, b) sluttsituasjon;

1 - håndflate, 2 - øvre del av plasticine,

3 - indikator, 4 - innsnevring, 5 - revet stykke plasticine

I dette og flere påfølgende eksperimenter skal vi bruke plastelinen som er tilgjengelig i leketøysbutikker, kjent som "magisk leire" eller "tricolin". Vi elter et stykke plastelina i en form som ligner på en manual, ca. 4 cm lang og med en diameter på tykkere deler innen 1-2 cm og en innsnevrende diameter på ca. 5 mm (fig. 3a). Vi tar tak i formen med fingrene i den øvre enden av den tykkere delen og holder den ubevegelig eller henger den vertikalt ved siden av den installerte markøren som indikerer plasseringen av den nedre enden av den tykkere delen.

Når vi observerer plasseringen av den nedre enden av plasticine, merker vi at den sakte beveger seg nedover. I dette tilfellet er den midtre delen av plasticine komprimert. Denne prosessen kalles flyten eller krypningen av materialet og består i å øke forlengelsen under påvirkning av konstant stress. I vårt tilfelle er dette stresset forårsaket av vekten av den nedre delen av plasticine-hantelen (fig. 3b). Fra et mikroskopisk synspunkt gjeldende dette er resultatet av en endring i strukturen til materialet utsatt for belastninger i tilstrekkelig lang tid. På et tidspunkt er styrken til den innsnevrede delen så liten at den går i stykker under vekten av den nedre delen av plastelina alene. Strømningshastigheten avhenger av mange faktorer, inkludert type materiale, mengden og metoden for å påføre stress på det.

Plastlinen vi bruker er ekstremt følsom for flyt, og vi kan se den med det blotte øye på bare noen få titalls sekunder. Det er verdt å legge til at magisk leire ble oppfunnet ved et uhell i USA, under andre verdenskrig, da det ble gjort forsøk på å produsere et syntetisk materiale egnet for produksjon av dekk til militære kjøretøy. Som et resultat av ufullstendig polymerisering ble det oppnådd et materiale hvor et visst antall molekyler var ubundet, og bindinger mellom andre molekyler kunne lett endre sin posisjon under påvirkning av eksterne faktorer. Disse "sprettende" koblingene bidrar til de fantastiske egenskapene til sprettleire.

bortkommen ball

Ris. 4. Sett for å teste plasticine for spredning og stressavslapping:

a) startsituasjon, b) sluttsituasjon; 1 - stålkule,

2 - gjennomsiktig kar, 3 - plasticine, 4 - base

Klem nå den magiske plastelinen inn i en liten gjennomsiktig beholder, åpen på toppen, og pass på at det ikke er luftbobler i den (fig. 4a). Høyden og diameteren på fartøyet skal være flere centimeter. Plasser en stålkule ca 1,5 cm i diameter i midten av den øvre overflaten av plasticine.Vi lar beholderen stå med ballen alene. Hver time observerer vi plasseringen av ballen. Legg merke til at det går dypere og dypere inn i plasticine, som igjen går inn i rommet over overflaten av ballen.

Etter tilstrekkelig lang tid, som avhenger av: vekten på ballen, typen plasticine som brukes, størrelsen på ballen og pannen, omgivelsestemperaturen, merker vi at ballen når bunnen av pannen. Plassen over ballen vil være helt fylt med plastelina (fig. 4b). Dette forsøket viser at materialet flyter og bli kvitt stress.

Hoppende plastelina

Form en ball av magisk lekedeig og kast den raskt på en hard overflate som gulv eller vegg. Vi merker med overraskelse at plastelinen spretter av disse overflatene som en sprettende gummiball. Magisk leire er en kropp som kan vise både plastiske og elastiske egenskaper. Det avhenger av hvor raskt lasten vil virke på den.

Når spenninger påføres sakte, som ved elting, viser den plastiske egenskaper. På den annen side, med den raske påføringen av kraft, som oppstår når du kolliderer med et gulv eller en vegg, utviser plasticine elastiske egenskaper. Magisk leire kan kort kalles en plastisk-elastisk kropp.

Strekkplastin

Foto 2. Effekten av langsom strekking av magisk leire (lengden på den strakte fiberen er ca. 60 cm)

Denne gangen danner du en magisk plastelinsylinder som er omtrent 1 cm i diameter og noen få centimeter lang. Ta begge endene med fingrene på høyre og venstre hånd og sett rullen horisontalt. Så sprer vi sakte armene til sidene i en rett linje, og får dermed sylinderen til å strekke seg i aksial retning. Vi føler at plastelina nesten ikke gir motstand, og vi merker at den smalner av på midten.

Lengden på plasticine-sylinderen kan økes til flere titalls centimeter, til det dannes en tynn tråd i den sentrale delen, som vil bryte over tid (bilde 2). Denne erfaringen viser at ved sakte å påføre stress på en plastisk-elastisk kropp, kan man forårsake en veldig stor deformasjon uten å ødelegge den.

hard plasticine

Vi forbereder den magiske plasticine-sylinderen på samme måte som i forrige forsøk og vikler fingrene rundt endene på samme måte. Etter å ha konsentrert oppmerksomheten, spredte vi armene til sidene så raskt som mulig, og ønsket å strekke sylinderen skarpt. Det viser seg at i dette tilfellet føler vi en veldig høy motstand av plasticine, og sylinderen, overraskende nok, forlenges ikke i det hele tatt, men bryter i halve lengden, som om den er kuttet med en kniv (bilde 3). Dette eksperimentet viser også at arten av deformasjonen av en plastisk-elastisk kropp avhenger av påføringshastigheten.

Plasticine er skjør som glass

Foto 3. Resultatet av den raske strekkingen av magisk plastelina - du kan se mange ganger mindre forlengelse og en skarp kant, som ligner en sprekk i et skjørt materiale

Dette eksperimentet viser enda tydeligere hvordan stresshastigheten påvirker egenskapene til en plastisk-elastisk kropp. Form en ball med en diameter på ca. 1,5 cm av magisk leire og plasser den på en solid, massiv base, for eksempel en tung stålplate, ambolt eller betonggulv. Slå ballen sakte med en hammer som veier minst 0,5 kg (fig. 5a). Det viser seg at i denne situasjonen oppfører ballen seg som en plastkropp og flater ut etter at en hammer faller på den (fig. 5b).

Form den flate plastelinen til en ball igjen og legg den på tallerkenen som før. Igjen slår vi ballen med en hammer, men denne gangen prøver vi å gjøre det så raskt som mulig (fig. 5c). Det viser seg at plastelinakulen i dette tilfellet oppfører seg som om den var laget av et skjørt materiale, som glass eller porselen, og ved støt knuses den i stykker i alle retninger (fig. 5d).

Termisk maskin på farmasøytiske gummibånd

Stress i reologiske materialer kan reduseres ved å øke temperaturen. Vi vil bruke denne effekten i en varmemotor med et overraskende driftsprinsipp. For å montere den trenger du: en skrukork av tinn, et dusin korte gummibånd, en stor nål, et rektangulært stykke tynn metallplate og en lampe med en veldig varm pære. Utformingen av motoren er vist i fig. 6. For å montere den, kutt ut midtdelen fra dekselet slik at det oppnås en ring.

Ris. 5. Metode for å demonstrere plasticine og sprø egenskaper til plasticine

a) sakte å slå ballen b) sakte å slå

c) et raskt treff på ballen, d) effekten av et raskt treff;

1 - plasticine ball, 2 - solid og massiv plate, 3 - hammer,

v - hammerhastighet

I midten av denne ringen legger vi en nål, som er aksen, og legger elastiske bånd på den slik at de i midten av lengden hviler mot ringen og er sterkt strukket. De elastiske båndene skal plasseres symmetrisk på ringen, og dermed oppnås et hjul med eiker dannet av elastiske bånd. Bøy et stykke metallplate til en stegjern med armene strukket ut, slik at du kan plassere den tidligere laget sirkelen mellom dem og dekke halvparten av overflaten. På den ene siden av utkrageren, ved begge dens vertikale kanter, lager vi en utskjæring som lar oss plassere hjulakselen i den.

Plasser hjulakselen i utsparingen av støtten. Vi roterer hjulet med fingrene og sjekker om det er balansert, d.v.s. stopper den i hvilken som helst posisjon. Hvis dette ikke er tilfelle, balanser hjulet ved å flytte litt på stedet der gummibåndene møter ringen. Sett braketten på bordet og belys den delen av sirkelen som stikker ut fra buene med en veldig varm lampe. Det viser seg at hjulet etter en stund begynner å rotere.

Årsaken til denne bevegelsen er den konstante endringen i posisjonen til hjulets massesenter som et resultat av en effekt som kalles reologer. termisk stressavslapning.

Denne avspenningen er basert på det faktum at et sterkt belastet elastisk materiale trekker seg sammen ved oppvarming. I vår motor er dette materialet gummibånd på hjulet som stikker ut fra braketten og varmes opp av en lyspære. Som et resultat blir hjulets massesenter forskjøvet til siden som dekkes av støttearmene. Som et resultat av hjulets rotasjon faller de oppvarmede gummibåndene mellom støttens skuldre og avkjøles, siden de er skjult for pæren. Avkjølte viskelær forlenges igjen. Sekvensen av de beskrevne prosessene sikrer kontinuerlig rotasjon av hjulet.

Ikke bare spektakulære eksperimenter

Ris. 6. Utformingen av en varmemotor laget av farmasøytiske gummibånd

a) sett fra siden

b) snitt etter et aksialt plan; 1 - ring, 2 - nål, 3 - farmasøytisk viskelær,

4 - brakett, 5 - utskjæring i braketten, 6 - pære

Nå reologi er et raskt voksende interessefelt for både fysikere og spesialister innen tekniske vitenskaper. Reologiske fenomener kan i enkelte situasjoner ha en negativ effekt på miljøet de oppstår i og må tas i betraktning for eksempel ved utforming av store stålkonstruksjoner som deformeres over tid. De skyldes spredning av materialet under påvirkning av virkende belastninger og dets egen vekt.

Nøyaktige målinger av tykkelsen på kobberplatene som dekker bratte tak og glassmalerier i historiske kirker har vist at disse elementene er tykkere nederst enn øverst. Dette er resultatet gjeldendebåde kobber og glass under egen vekt i flere hundre år. Reologiske fenomener brukes også i mange moderne og økonomiske produksjonsteknologier. Et eksempel er gjenvinning av plast. De fleste produkter laget av disse materialene produseres i dag ved ekstrudering, tegning og blåsestøping. Dette gjøres etter oppvarming av materialet og påført trykk på det med en passende valgt hastighet. Altså blant annet folier, stenger, rør, fibre, samt leker og maskindeler av komplekse former. Svært viktige fordeler med disse metodene er lave kostnader og ikke-avfall.