Ko Hookeov zakon ni več dovolj ...

Po Hookeovem zakonu, ki je znan iz šolskih učbenikov, mora biti raztezek telesa neposredno sorazmeren z uporabljenim stresom. Vendar pa številni materiali, ki so v sodobni tehnologiji in vsakdanjem življenju velikega pomena, le približno ustrezajo temu zakonu ali pa se obnašajo povsem drugače. Fiziki in inženirji pravijo, da imajo takšni materiali reološke lastnosti. Preučevanje teh lastnosti bo predmet nekaterih zanimivih eksperimentov.

Reologija je preučevanje lastnosti materialov, katerih obnašanje presega teorijo elastičnosti, ki temelji na prej omenjenem Hookeovem zakonu. To vedenje je povezano s številnimi zanimivimi pojavi. Ti vključujejo zlasti: zamudo pri vrnitvi materiala v prvotno stanje po padcu napetosti, to je elastična histereza; povečanje raztezka telesa pri stalnem stresu, sicer imenovano pretok; ali večkratno povečanje odpornosti na deformacije in trdote prvotno plastičnega telesa, do pojava lastnosti, značilnih za krhke materiale.

leni vladar

En konec plastičnega ravnila dolžine 30 cm ali več je pritrjen v čeljusti primeža tako, da je ravnilo navpično (slika 1). Zgornji konec ravnila od navpičnice odklonimo le za nekaj milimetrov in ga sprostimo. Upoštevajte, da prosti del ravnila večkrat zaniha okoli navpičnega ravnotežnega položaja in se vrne v prvotno stanje (slika 1a). Opažena nihanja so harmonična, saj je pri majhnih upogibih velikost elastične sile, ki deluje kot vodilna sila, premo sorazmerna z upogibom konca ravnila. To vedenje ravnila opisuje teorija elastičnosti. 

riž. 1. Študija elastične histereze z ravnilom

1 – reševalno vozilo,

2 - čeljusti primeža, A - odstopanje konca ravnila od navpičnice

V drugem delu poskusa odklonimo zgornji konec ravnila za nekaj centimetrov, ga sprostimo in opazujemo njegovo obnašanje (slika 1b). Zdaj se ta konec počasi vrača v ravnotežni položaj. To je posledica presežka meje elastičnosti materiala ravnila. Ta učinek se imenuje elastična histereza. Sestoji iz počasnega vračanja deformiranega telesa v prvotno stanje. Če ta zadnji poskus ponovimo tako, da zgornji konec ravnila še bolj nagnemo, bomo ugotovili, da bo tudi njegovo vračanje počasnejše in lahko traja do nekaj minut. Poleg tega se ravnilo ne bo vrnilo natančno v navpični položaj in bo ostalo trajno upognjeno. Učinki, opisani v drugem delu poskusa, so le eden izmed predmeti raziskav reologije.

Povratna ptica ali pajek

Za naslednjo izkušnjo bomo uporabili poceni in enostavno nakupljivo igračo (včasih na voljo celo v kioskih). Sestavljen je iz ploščate figurice v obliki ptice ali druge živali, kot je pajek, ki je povezana z dolgim ​​trakom z obročastim ročajem (slika 2a). Celotna igrača je narejena iz prožnega, gumi podobnega materiala, ki je na dotik rahlo lepljiv. Trak je mogoče zelo enostavno raztegniti in večkrat povečati njegovo dolžino, ne da bi ga pretrgali. Eksperiment izvedemo v bližini gladke površine, kot je zrcalno steklo ali pohištvena stena. S prsti ene roke držite ročaj in naredite val, s čimer vrzite igračo na gladko površino. Opazili boste, da se figurica drži površine in trak ostane napet. Ročaj še naprej držimo s prsti nekaj deset sekund ali več.

riž. 2. Živahen primer elastične histereze, prikazan z uporabo povratnega križa

1 - figurica pajka, 2 - gumica,

3 - ročaj, 4 - dlan, 5 - površina

Čez nekaj časa opazimo, da se bo figurica nenadoma dvignila s površine in se nam bo, privlečena s termo skrčljivim trakom, hitro vrnila v roko. V tem primeru, tako kot v prejšnjem poskusu, je tudi počasen upad napetosti, to je elastična histereza. Elastične sile raztegnjenega traku premagajo sile oprijema vzorca na površino, ki sčasoma oslabijo. Posledično se figura vrne v roko. Material igrače, uporabljen v tem poskusu, imenujejo reologi viskoelastična. To ime je upravičeno z dejstvom, da ima tako lepljive lastnosti - ko se lepi na gladko površino, kot tudi elastične lastnosti - zaradi katerih se od te površine odtrga in se vrne v prvotno stanje.

padajočega človeka

Fotografija 1. Odličen primer elastične histereze je tudi figurica, ki se spušča po navpični steni.

V tem poskusu bo uporabljena tudi lahko dostopna igrača iz viskoelastičnega materiala (fotografija 1). Izdelana je v obliki figure človeka ali pajka. To igračo mečemo z razporejenimi udi in obrnjeno na glavo na ravno navpično površino, najbolje na steklo, ogledalo ali pohištveno steno. Na to površino se prilepi vržen predmet. Čez nekaj časa, katerega trajanje je med drugim odvisno od hrapavosti površine in hitrosti metanja, se vrh igrače odlepi. To se zgodi kot posledica tega, o čemer smo govorili prej. elastična histereza in delovanje teže figure, ki nadomesti elastično silo pasu, ki je bila prisotna v prejšnjem poskusu.

Pod vplivom teže se odklopljeni del igrače upogne in odlomi naprej, dokler se del spet ne dotakne navpične površine. Po tem dotiku se začne naslednje lepljenje figure na površino. Posledično bo figura ponovno zlepljena, vendar v položaju z glavo navzdol. Spodaj opisani postopki se ponovijo, pri čemer figure izmenično odtrgajo noge in nato glavo. Učinek je, da se figura spušča vzdolž navpične površine in naredi spektakularne preobrate.

Tekoči plastelin

riž. 3. Test pretoka plastelina

a) začetna situacija, b) končna situacija;

1 - dlan, 2 - zgornji del plastelina,

3 - indikator, 4 - zožitev, 5 - raztrgan kos plastelina

V tem in več nadaljnjih poskusih bomo uporabili plastelin, ki je na voljo v trgovinah z igračami, znan kot "čarobna glina" ali "trikolin". Zgnetemo kos plastelina v obliki podobne bučici, dolg približno 4 cm in s premerom debelejših delov znotraj 1-2 cm in premerom zožitve približno 5 mm (slika 3a). Kalup s prsti primemo za zgornji konec debelejšega dela in ga negibno držimo ali pa ga obesimo navpično ob nameščeno oznako, ki označuje lokacijo spodnjega konca debelejšega dela.

Če opazujemo položaj spodnjega konca plastelina, opazimo, da se počasi premika navzdol. V tem primeru je srednji del plastelina stisnjen. Ta proces se imenuje tok ali lezenje materiala in je sestavljen iz povečanja njegovega raztezka pod vplivom stalne napetosti. V našem primeru je ta stres posledica teže spodnjega dela plastelinske bučice (slika 3b). Z mikroskopskega vidika Sedanji to je posledica spremembe strukture materiala, ki je bil dovolj dolgo izpostavljen obremenitvam. V nekem trenutku je trdnost zoženega dela tako majhna, da se samo pod težo spodnjega dela plastelina zlomi. Hitrost pretoka je odvisna od številnih dejavnikov, vključno z vrsto materiala, količino in načinom obremenitve nanj.

Plastelin, ki ga uporabljamo, je izjemno občutljiv na pretok in ga s prostim očesom vidimo v le nekaj deset sekundah. Velja dodati, da so čarobno glino izumili po naključju v Združenih državah Amerike, med drugo svetovno vojno, ko so poskušali izdelati sintetični material, primeren za proizvodnjo pnevmatik za vojaška vozila. Kot posledica nepopolne polimerizacije je bil pridobljen material, v katerem je bilo določeno število molekul nevezano, vezi med drugimi molekulami pa bi lahko zlahka spremenile svoj položaj pod vplivom zunanjih dejavnikov. Te "poskočne" povezave prispevajo k neverjetnim lastnostim poskakujoče gline.

zablodena žoga

riž. 4. Set za testiranje plastelina za mazanje in sproščanje stresa:

a) začetna situacija, b) končna situacija; 1 - jeklena krogla,

2 - prozorna posoda, 3 - plastelin, 4 - osnova

Čarobni plastelin zdaj stisnite v manjšo prozorno posodo, odprto na vrhu in pazite, da v njej ni zračnih mehurčkov (slika 4a). Višina in premer posode morata biti nekaj centimetrov. Na sredino zgornje površine plastelina položimo jekleno kroglo s premerom približno 1,5 cm. Posodo s kroglico pustimo pri miru. Vsakih nekaj ur opazujemo položaj žoge. Upoštevajte, da gre vse globlje v plastelin, ki pa gre v prostor nad površino krogle.

Po dovolj dolgem času, ki je odvisen od: teže kroglice, vrste uporabljenega plastelina, velikosti krogle in pekača, temperature okolice opazimo, da žogica doseže dno pekača. Prostor nad kroglo bo v celoti zapolnjen s plastelinom (slika 4b). Ta poskus kaže, da material teče in sprostiti stres.

Skakanje iz plastelina

Oblikujte kroglo iz čarobnega testa in jo hitro vrzite na trdo površino, kot je tla ali stena. Presenečeno opazimo, da se plastelin od teh površin odbija kot poskočna gumijasta kroglica. Čarobna glina je telo, ki lahko kaže tako plastične kot elastične lastnosti. Odvisno je od tega, kako hitro bo obremenitev delovala nanj.

Ko se napetosti izvajajo počasi, kot pri gnetenju, kaže plastične lastnosti. Po drugi strani pa s hitrim delovanjem sile, ki se pojavi pri trčenju s tlemi ali steno, plastelin kaže elastične lastnosti. Čarobno glino lahko na kratko imenujemo plastično elastično telo.

Natezni plastelin

Fotografija 2. Učinek počasnega raztezanja čarobne gline (dolžina raztegnjenega vlakna je približno 60 cm)

Tokrat oblikujte čarobni plastelinski valj premera približno 1 cm in dolžine nekaj centimetrov. S prsti desne in leve roke primite oba konca in nastavite valj vodoravno. Nato v eni ravni črti počasi raztegnemo roke ob straneh in s tem povzročimo, da se cilinder raztegne v aksialni smeri. Čutimo, da plastelin skorajda ne odpira, opazimo pa, da se na sredini zoži.

Dolžino plastelinskega valja lahko povečamo na nekaj deset centimetrov, dokler se v njegovem osrednjem delu ne oblikuje tanka nit, ki se sčasoma zlomi (fotografija 2). Ta izkušnja kaže, da lahko s počasnim obremenitvijo plastično elastičnega telesa povzročimo zelo veliko deformacijo, ne da bi jo uničili.

trdi plastelin

Čarobni plastelinski valj pripravimo na enak način kot v prejšnjem poskusu in na enak način ovijemo prste okoli njegovih koncev. Ko smo osredotočili svojo pozornost, smo čim hitreje razširili roke na straneh in želeli močno raztegniti cilinder. Izkazalo se je, da v tem primeru čutimo zelo visoko odpornost plastelina, valj pa se presenetljivo sploh ne podaljša, ampak se zlomi za polovico svoje dolžine, kot da bi ga prerezal z nožem (fotografija 3). Ta poskus tudi kaže, da je narava deformacije plastično elastičnega telesa odvisna od stopnje uporabe napetosti.

Plastelin je krhek kot steklo

Slika 3. Rezultat hitrega raztezanja čarobnega plastelina - opazite lahko večkrat manjši raztezek in oster rob, ki spominja na razpoko v krhkem materialu

Ta poskus še bolj jasno pokaže, kako stopnja napetosti vpliva na lastnosti plastično elastičnega telesa. Iz čarobne gline oblikujte kroglo s premerom približno 1,5 cm in jo položite na trdno, masivno podlago, kot je težka jeklena plošča, nakovalo ali betonska tla. Počasi udarite žogo s kladivom, težkim najmanj 0,5 kg (slika 5a). Izkazalo se je, da se v tej situaciji krogla obnaša kot plastično telo in se splošči, ko nanjo pade kladivo (slika 5b).

Sploščen plastelin ponovno oblikujemo v kroglo in ga kot prej položimo na krožnik. Ponovno udarimo žogo s kladivom, tokrat pa poskušamo to narediti čim hitreje (slika 5c). Izkazalo se je, da se plastelinska kroglica v tem primeru obnaša, kot da bi bila narejena iz krhkega materiala, na primer stekla ali porcelana, in se ob udarcu razbije na koščke v vse smeri (slika 5d).

Termalni stroj na farmacevtskih gumijastih trakovih

Stres v reoloških materialih lahko zmanjšamo z zvišanjem njihove temperature. Ta učinek bomo uporabili v toplotnem motorju s presenetljivim principom delovanja. Če ga želite sestaviti, boste potrebovali: navojni pokrov za pločevinko, ducat kratkih gumk, veliko iglo, pravokoten kos tanke pločevine in svetilko z zelo vročo žarnico. Zasnova motorja je prikazana na sliki 6. Za sestavljanje izrežite srednji del iz pokrova, tako da dobite obroč.

riž. 5. Metoda za prikaz plastelina in krhkih lastnosti plastelina

a) počasno udarjanje žoge b) počasno udarjanje

c) hitri udarec po žogi, d) učinek hitrega udarca;

1 - kroglica iz plastelina, 2 - trdna in masivna plošča, 3 - kladivo,

v - hitrost kladiva

V sredino tega obroča vstavimo iglo, ki je os, in nanjo nataknemo elastične trakove, tako da se na sredini njegove dolžine naslonijo na obroč in so močno raztegnjeni. Elastični trakovi morajo biti nameščeni simetrično na obroču, tako da dobimo kolo z naperami, oblikovanimi iz elastičnih trakov. Kos pločevine upognite v obliko derez z iztegnjenimi rokami, tako da lahko mednje postavite prej narejen krog in pokrijete polovico njegove površine. Na eni strani konzole, na obeh njenih navpičnih robovih, naredimo izrez, ki nam omogoča, da vanjo namestimo kolesno os.

Kolesno os postavite v izrez nosilca. S prsti zavrtimo kolo in preverimo, če je uravnoteženo, t.j. ali se ustavi v katerem koli položaju. Če temu ni tako, uravnotežite kolo tako, da rahlo premaknete mesto, kjer se gumijasti trakovi srečajo z obročem. Postavite nosilec na mizo in z zelo vročo svetilko osvetlite del kroga, ki štrli iz njegovih lokov. Izkazalo se je, da se čez nekaj časa kolo začne vrteti.

Razlog za to gibanje je nenehna sprememba položaja težišča kolesa kot posledica učinka, imenovanega reologi. sprostitev toplotnega stresa.

Ta sprostitev temelji na dejstvu, da se visoko obremenjen elastični material pri segrevanju skrči. V našem motorju je ta material gumijasti trakovi ob kolesih, ki štrlijo iz nosilca nosilca in se segrevajo z žarnico. Posledično se težišče kolesa premakne na stran, ki jo pokrivajo podporne roke. Zaradi vrtenja kolesa segreti gumijasti trakovi padejo med ramena nosilca in se ohladijo, saj so tam skriti pred žarnico. Ohlajene radirke se spet podaljšajo. Zaporedje opisanih procesov zagotavlja neprekinjeno vrtenje kolesa.

Ne samo spektakularni eksperimenti

riž. 6. Zasnova toplotnega motorja iz farmacevtskih gumijastih trakov

a) stranski pogled

b) presek z aksialno ravnino; 1 - obroč, 2 - igla, 3 - farmacevtska radirka,

4 - nosilec, 5 - izrez v nosilcu, 6 - žarnica

Zdaj reologija je hitro razvijajoče se področje, ki zanima tako fizike kot specialiste s področja tehničnih znanosti. Reološki pojavi v nekaterih situacijah lahko negativno vplivajo na okolje, v katerem se pojavljajo, in jih je treba upoštevati, na primer, pri načrtovanju velikih jeklenih konstrukcij, ki se sčasoma deformirajo. Nastanejo zaradi razprševanja materiala pod delovanjem delujočih obremenitev in lastne teže.

Natančne meritve debeline bakrenih plošč, ki pokrivajo strme strehe in vitraže v zgodovinskih cerkvah, so pokazale, da so ti elementi spodaj debelejši kot na vrhu. To je rezultat Sedanjitako baker kot steklo pod lastno težo več sto let. Reološki pojavi se uporabljajo tudi v številnih sodobnih in ekonomičnih proizvodnih tehnologijah. Primer je recikliranje plastike. Večina izdelkov iz teh materialov se trenutno proizvaja z ekstrudiranjem, vlečenjem in pihanjem. To se naredi po segrevanju materiala in pritisku nanj z ustrezno izbrano hitrostjo. Tako med drugim folije, palice, cevi, vlakna, pa tudi igrače in strojni deli kompleksnih oblik. Zelo pomembne prednosti teh metod so nizki stroški in brez odpadkov.