När Hookes lag inte längre räcker...

Enligt Hookes lag som är känd från skolböckerna, bör förlängningen av en kropp vara direkt proportionell mot den applicerade stressen. Men många material som har stor betydelse i modern teknik och vardagsliv följer endast ungefär denna lag eller beter sig helt annorlunda. Fysiker och ingenjörer säger att sådana material har reologiska egenskaper. Studiet av dessa egenskaper kommer att bli föremål för några intressanta experiment.

Reologi är studiet av egenskaperna hos material vars beteende går utöver teorin om elasticitet baserad på den tidigare nämnda Hookes lag. Detta beteende är förknippat med många intressanta fenomen. Dessa inkluderar i synnerhet: fördröjningen av återgången av materialet till sitt ursprungliga tillstånd efter ett spänningsfall, dvs elastisk hysteres; ökning av kroppsförlängning vid konstant stress, annars kallat flöde; eller en multipel ökning av motståndet mot deformation och hårdhet hos en ursprungligen plastisk kropp, upp till utseendet på egenskaper som är karakteristiska för spröda material.

lat linjal

Ena änden av en plastlinjal som är 30 cm eller längre fästs i skruvstädskäftarna så att linjalen är vertikal (Fig. 1). Vi avvisar den övre änden av linjalen från vertikalen med bara några millimeter och släpper den. Observera att den fria delen av linjalen svänger flera gånger runt den vertikala jämviktspositionen och återgår till sitt ursprungliga tillstånd (Fig. 1a). De observerade svängningarna är harmoniska, eftersom vid små avböjningar storleken på den elastiska kraften som fungerar som en styrkraft är direkt proportionell mot avböjningen av linjalens ände. Detta beteende hos linjalen beskrivs av elasticitetsteorin. 

Ris. 1. Studie av elastisk hysteres med hjälp av en linjal

1 - ambulans,

2 - skruvstädkäftar, A - avvikelse från linjalens ände från vertikalen

I den andra delen av experimentet böjer vi den övre änden av linjalen några centimeter, släpper den och observerar dess beteende (Fig. 1b). Nu återgår detta slut sakta till jämviktsläget. Detta beror på att linjalmaterialets elastiska gräns överskrids. Denna effekt kallas elastisk hysteres. Den består i att den deformerade kroppen långsamt återgår till sitt ursprungliga tillstånd. Om vi ​​upprepar detta sista experiment genom att luta den övre änden av linjalen ännu mer, kommer vi att upptäcka att dess återgång också kommer att gå långsammare och kan ta upp till flera minuter. Dessutom kommer linjalen inte att återgå exakt till det vertikala läget och förblir permanent böjd. Effekterna som beskrivs i den andra delen av experimentet är bara en av dem reologiska forskningsämnen.

Återvändande fågel eller spindel

Till nästa upplevelse kommer vi att använda en billig och lättköpt leksak (ibland även tillgänglig i kiosker). Den består av en platt statyett i form av en fågel eller annat djur, såsom en spindel, förbunden med en lång rem med ett ringformat handtag (fig. 2a). Hela leksaken är gjord av ett spänstigt, gummiliknande material som är lätt klibbig vid beröring. Tejpen kan sträckas mycket lätt, öka dess längd flera gånger utan att riva den. Vi genomför ett experiment nära en slät yta, som spegelglas eller en möbelvägg. Håll i handtaget med ena handens fingrar och gör en vink och kasta leksaken på en slät yta. Du kommer att märka att figuren fastnar på ytan och tejpen förblir spänd. Vi fortsätter att hålla i handtaget med fingrarna i flera tiotals sekunder eller mer.

Ris. 2. Ett levande exempel på elastisk hysteres, visat med ett returkors

1 - spindelfigur, 2 - gummiband,

3 - handtag, 4 - handflata, 5 - yta

Efter en tid märker vi att figuren plötsligt kommer att lossna från ytan och, attraherad av en värmekrymptejp, snabbt kommer tillbaka till vår hand. I det här fallet, som i det tidigare experimentet, finns det också en långsam spänningsnedgång, det vill säga elastisk hysteres. De elastiska krafterna hos den sträckta tejpen övervinner krafterna för vidhäftning av mönstret till ytan, som försvagas med tiden. Som ett resultat återgår figuren till handen. Materialet i leksaken som används i detta experiment kallas av reologer viskoelastisk. Detta namn motiveras av det faktum att det uppvisar både klibbiga egenskaper - när det fastnar på en slät yta, och elastiska egenskaper - på grund av vilka det bryter sig loss från denna yta och återgår till sitt ursprungliga tillstånd.

nedstigande man

Foto 1. En statyett som går ner från en vertikal vägg är också ett bra exempel på elastisk hysteres.

Detta experiment kommer också att använda en lättillgänglig leksak gjord av viskoelastiskt material (foto 1). Den är gjord i form av en figur av en man eller en spindel. Vi kastar den här leksaken med utplacerade lemmar och upp och ner på en platt vertikal yta, helst på en glas-, spegel- eller möbelvägg. Ett utkastat föremål fastnar på denna yta. Efter en tid, vars varaktighet bland annat beror på ytans grovhet och kasthastigheten, lossnar toppen av leksaken. Detta sker som ett resultat av det som diskuterades tidigare. elastisk hysteres och verkan av figurens vikt, som ersätter den elastiska kraften hos bältet, som var närvarande i det tidigare experimentet.

Under påverkan av vikten böjer sig den lossade delen av leksaken ner och bryts av ytterligare tills delen återigen vidrör den vertikala ytan. Efter denna beröring börjar nästa limning av figuren på ytan. Som ett resultat kommer figuren att limmas igen, men i ett läge med huvudet nedåt. Processerna som beskrivs nedan upprepas, där figurerna växelvis sliter av benen och sedan huvudet. Effekten är att figuren går ner längs en vertikal yta, vilket gör spektakulära vändningar.

Flytande plasticine

Ris. 3. Plasticinflödestest

a) initial situation, b) final situation;

1 - handflata, 2 - övre delen av plasticine,

3 - indikator, 4 - förträngning, 5 - riven bit av plasticine

I detta och flera efterföljande experiment kommer vi att använda plasticin som finns i leksaksaffärer, känd som "magisk lera" eller "tricolin". Vi knådar en bit plasticine i form som liknar en hantel, ca 4 cm lång och med en diameter av tjockare delar inom 1-2 cm och en avsmalnande diameter på ca 5 mm (Fig. 3a). Vi tar tag i formen med fingrarna i den övre änden av den tjockare delen och håller den orörlig eller hänger den vertikalt bredvid den installerade markören som anger platsen för den nedre änden av den tjockare delen.

När vi observerar positionen för den nedre änden av plasticinen, noterar vi att den sakta rör sig nedåt. I det här fallet komprimeras den mellersta delen av plasticinen. Denna process kallas materialets flöde eller krypning och består i att öka dess förlängning under inverkan av konstant påkänning. I vårt fall orsakas denna stress av vikten av den nedre delen av plasticine-hanteln (fig. 3b). Ur en mikroskopisk synvinkel ström detta är resultatet av en förändring i strukturen hos materialet som utsätts för belastningar under tillräckligt lång tid. Vid ett tillfälle är styrkan hos den avsmalnande delen så liten att den går sönder bara under tyngden av den nedre delen av plasticinen. Flödeshastigheten beror på många faktorer, inklusive typen av material, mängden och sättet att applicera stress på det.

Den plasticine vi använder är extremt känslig för flyt, och vi kan se den med blotta ögat på bara några tiotals sekunder. Det är värt att tillägga att magisk lera uppfanns av en slump i USA, under andra världskriget, då försök gjordes att tillverka ett syntetiskt material som lämpar sig för tillverkning av däck för militärfordon. Som ett resultat av ofullständig polymerisation erhölls ett material i vilket ett visst antal molekyler var obundna, och bindningar mellan andra molekyler kunde lätt ändra sin position under påverkan av yttre faktorer. Dessa "studsande" länkar bidrar till de fantastiska egenskaperna hos studsande lera.

herrelös boll

Ris. 4. Set för att testa plasticine för spridning och stressavslappning:

a) initial situation, b) final situation; 1 - stålkula,

2 - genomskinligt kärl, 3 - plasticine, 4 - bas

Krama nu den magiska plasticinen i ett litet genomskinligt kärl, öppet upptill, och se till att det inte finns några luftbubblor i det (Fig. 4a). Kärlets höjd och diameter bör vara flera centimeter. Placera en stålkula ca 1,5 cm i diameter i mitten av den övre ytan av plasticine.Vi lämnar kärlet med bollen ensam. Med några timmars mellanrum observerar vi bollens position. Observera att det går djupare och djupare in i plasticinen, som i sin tur går in i utrymmet ovanför bollens yta.

Efter tillräckligt lång tid, vilket beror på: bollens vikt, typen av plasticine som används, storleken på bollen och pannan, omgivningstemperaturen, märker vi att bollen når botten av pannan. Utrymmet ovanför bollen kommer att vara helt fyllt med plasticine (fig. 4b). Detta experiment visar att materialet flyter och göra sig av med stress.

Hoppande plasticine

Forma en boll av magisk lekdeg och släng den snabbt på en hård yta som golvet eller väggen. Vi märker med förvåning att plasticinen studsar från dessa ytor som en studsande gummiboll. Magisk lera är en kropp som kan uppvisa både plastiska och elastiska egenskaper. Det beror på hur snabbt lasten kommer att agera på den.

När spänningar appliceras långsamt, som i fallet med knådning, uppvisar den plastiska egenskaper. Å andra sidan, med den snabba appliceringen av kraft, som uppstår när man kolliderar med ett golv eller vägg, uppvisar plasticine elastiska egenskaper. Magisk lera kan kort kallas en plastelastisk kropp.

Dragkraftig plasticine

Foto 2. Effekten av långsam sträckning av magisk lera (längden på den sträckta fibern är ca 60 cm)

Den här gången bildar du en magisk plasticinecylinder som är cirka 1 cm i diameter och några centimeter lång. Ta båda ändarna med fingrarna på höger och vänster hand och ställ rullen horisontellt. Sedan sprider vi långsamt armarna åt sidorna i en rak linje, vilket får cylindern att sträcka sig i axiell riktning. Vi upplever att plasticinen nästan inte ger något motstånd och vi märker att den smalnar av i mitten.

Längden på plasticinecylindern kan ökas till flera tiotals centimeter, tills en tunn tråd bildas i dess centrala del, som kommer att bryta med tiden (foto 2). Denna erfarenhet visar att genom att långsamt anbringa stress på en plastelastisk kropp kan man orsaka en mycket stor deformation utan att förstöra den.

hård plasticine

Vi förbereder den magiska plasticinecylindern på samma sätt som i föregående experiment och lindar fingrarna runt dess ändar på samma sätt. Efter att ha koncentrerat vår uppmärksamhet sprider vi våra armar åt sidorna så snabbt som möjligt och vill sträcka cylindern skarpt. Det visar sig att vi i det här fallet känner en mycket hög motståndskraft mot plasticin, och cylindern, överraskande nog, förlängs inte alls, utan bryter i halva sin längd, som om den skärs med en kniv (foto 3). Detta experiment visar också att karaktären av deformationen av en plastelastisk kropp beror på graden av påfrestning.

Plasticin är ömtåligt som glas

Foto 3. Resultatet av den snabba sträckningen av magisk plasticine - du kan se många gånger mindre förlängning och en skarp kant, som liknar en spricka i ett ömtåligt material

Detta experiment visar ännu tydligare hur spänningshastigheten påverkar egenskaperna hos en plastelastisk kropp. Forma en boll med en diameter på cirka 1,5 cm av magisk lera och placera den på en solid, massiv bas, till exempel en tung stålplåt, städ eller betonggolv. Slå långsamt bollen med en hammare som väger minst 0,5 kg (fig. 5a). Det visar sig att bollen i denna situation beter sig som en plastkropp och planar ut efter att en hammare fallit på den (fig. 5b).

Forma den tillplattade plasticinen till en boll igen och lägg den på plåten som tidigare. Återigen slår vi bollen med en hammare, men den här gången försöker vi göra det så snabbt som möjligt (bild 5c). Det visar sig att plasticinebollen i det här fallet beter sig som om den vore gjord av ett ömtåligt material, såsom glas eller porslin, och vid stöten splittras den i bitar i alla riktningar (fig. 5d).

Termisk maskin på farmaceutiska gummiband

Stress i reologiska material kan minskas genom att höja deras temperatur. Vi kommer att använda denna effekt i en värmemotor med en överraskande funktionsprincip. För att montera den behöver du: ett skruvlock av plåtburk, ett dussintal korta gummiband, en stor nål, en rektangulär bit av tunn plåt och en lampa med en mycket varm glödlampa. Motorns design visas i fig. 6. För att montera den skär du ut mittdelen från locket så att en ring erhålls.

Ris. 5. Metod för att demonstrera plasticine och spröda egenskaper hos plasticine

a) långsamt att slå bollen b) långsamt slå

c) ett snabbt slag på bollen, d) effekten av ett snabbt slag;

1 - plasticineboll, 2 - solid och massiv platta, 3 - hammare,

v - hammarhastighet

I mitten av denna ring sätter vi en nål, som är axeln, och sätter elastiska band på den så att de i mitten av dess längd vilar mot ringen och är starkt sträckta. De elastiska banden ska placeras symmetriskt på ringen, så att ett hjul med ekrar bildade av elastiska band erhålls. Böj en bit plåt till en stegjärnsform med armarna utsträckta, så att du kan placera den tidigare gjorda cirkeln mellan dem och täcka hälften av dess yta. På ena sidan av konsolen, vid båda dess vertikala kanter, gör vi en utskärning som gör att vi kan placera hjulaxeln i den.

Placera hjulaxeln i urtaget på stödet. Vi roterar hjulet med fingrarna och kollar om det är balanserat, d.v.s. stannar den i något läge. Om så inte är fallet, balansera hjulet genom att lätt flytta platsen där gummibanden möter ringen. Sätt fästet på bordet och belys den del av cirkeln som sticker ut från dess bågar med en mycket varm lampa. Det visar sig att hjulet efter ett tag börjar rotera.

Anledningen till denna rörelse är den ständiga förändringen i positionen för hjulets masscentrum som ett resultat av en effekt som kallas reologer. termisk stressavslappning.

Denna avslappning är baserad på det faktum att ett starkt belastat elastiskt material drar ihop sig vid upphettning. I vår motor är detta material gummiband på hjulsidan som sticker ut från fästet och värms upp av en glödlampa. Som ett resultat förskjuts hjulets masscentrum till den sida som täcks av stödarmarna. Som ett resultat av hjulets rotation faller de uppvärmda gummibanden mellan stödets axlar och svalnar, eftersom de är dolda från glödlampan. Kylda suddgummi förlängs igen. Sekvensen av de beskrivna processerna säkerställer den kontinuerliga rotationen av hjulet.

Inte bara spektakulära experiment

Ris. 6. Utformningen av en värmemotor gjord av farmaceutiska gummiband

a) sidovy

b) snitt genom ett axiellt plan; 1 - ring, 2 - nål, 3 - farmaceutiskt suddgummi,

4 - fäste, 5 - utskärning i fästet, 6 - glödlampa

Nu reologi är ett snabbt växande intresseområde för både fysiker och specialister inom området tekniska vetenskaper. Reologiska fenomen kan i vissa situationer ha en negativ inverkan på miljön där de uppstår och måste beaktas till exempel vid utformning av stora stålkonstruktioner som deformeras över tid. De härrör från spridningen av materialet under inverkan av verkande belastningar och dess egen vikt.

Noggranna mätningar av tjockleken på kopparplåtarna som täcker branta tak och målade glasfönster i historiska kyrkor har visat att dessa element är tjockare i botten än upptill. Detta är resultatet strömbåde koppar och glas under sin egen vikt i flera hundra år. Reologiska fenomen används också i många moderna och ekonomiska tillverkningstekniker. Ett exempel är plaståtervinning. De flesta produkter tillverkade av dessa material tillverkas för närvarande genom extrudering, dragning och formblåsning. Detta görs efter uppvärmning av materialet och applicering av tryck på det med en lämpligt vald hastighet. Alltså bland annat folier, stavar, rör, fibrer, samt leksaker och maskindelar av komplexa former. Mycket viktiga fördelar med dessa metoder är låg kostnad och icke-avfall.