Når Hookes lov ikke længere er nok...

Ifølge Hookes lov, kendt fra skolebøger, skal forlængelsen af ​​en krop være direkte proportional med den påførte belastning. Men mange materialer, der er af stor betydning i moderne teknologi og hverdagsliv, overholder kun tilnærmelsesvis denne lov eller opfører sig helt anderledes. Fysikere og ingeniører siger, at sådanne materialer har rheologiske egenskaber. Studiet af disse egenskaber vil være genstand for nogle interessante eksperimenter.

Rheologi er studiet af egenskaberne af materialer, hvis adfærd går ud over teorien om elasticitet baseret på den førnævnte Hookes lov. Denne adfærd er forbundet med mange interessante fænomener. Disse omfatter især: forsinkelsen i materialets tilbagevenden til dets oprindelige tilstand efter et spændingsfald, dvs. elastisk hysterese; stigning i kropsforlængelse ved konstant stress, ellers kaldet flow; eller en multipel stigning i modstanden mod deformation og hårdhed af et oprindeligt plastisk legeme, op til udseendet af egenskaber, der er karakteristiske for sprøde materialer.

doven hersker

Den ene ende af en plasticlineal på 30 cm eller mere fastgøres i skruestikkæberne, så linealen er lodret (fig. 1). Vi afviser den øverste ende af linealen fra lodret med kun et par millimeter og slipper den. Bemærk, at den frie del af linealen svinger flere gange rundt om den lodrette ligevægtsposition og vender tilbage til sin oprindelige tilstand (fig. 1a). De observerede svingninger er harmoniske, da størrelsen af ​​den elastiske kraft, der virker som en styrekraft ved små afbøjninger, er direkte proportional med afbøjningen af ​​enden af ​​linealen. Denne opførsel af linealen er beskrevet af teorien om elasticitet. 

Ris. 1. Undersøgelse af elastisk hysterese ved hjælp af en lineal

1 - ambulance,

2 - skruekæber, A - afvigelse af linealens ende fra lodret

I anden del af eksperimentet afbøjer vi den øverste ende af linealen nogle få centimeter, slipper den og observerer dens opførsel (fig. 1b). Nu vender denne ende langsomt tilbage til ligevægtspositionen. Dette skyldes overskridelsen af ​​linealmaterialets elastiske grænse. Denne effekt kaldes elastisk hysterese. Det består i den langsomme tilbagevenden af ​​den deforme krop til sin oprindelige tilstand. Hvis vi gentager dette sidste eksperiment ved at vippe den øverste ende af linealen endnu mere, vil vi opdage, at dens tilbagevenden også er langsommere og kan tage op til flere minutter. Derudover vil linealen ikke vende tilbage til en nøjagtig lodret position og forblive permanent bøjet. Effekterne beskrevet i anden del af eksperimentet er blot én af rheologiske forskningsfag.

Hjemvendt fugl eller edderkop

Til den næste oplevelse vil vi bruge et billigt og letkøbt legetøj (nogle gange endda tilgængelig i kiosker). Den består af en flad figur i form af en fugl eller et andet dyr, såsom en edderkop, forbundet med en lang rem med et ringformet håndtag (fig. 2a). Hele legetøjet er lavet af et elastisk, gummilignende materiale, der er lidt klistret at røre ved. Tapen kan strækkes meget let, og forlænge dens længde flere gange uden at rive den i stykker. Vi udfører et eksperiment nær en glat overflade, såsom spejlglas eller en møbelvæg. Hold med fingrene på den ene hånd i håndtaget og lav en bølge, og kast legetøjet på en glat overflade. Du vil bemærke, at figuren klæber til overfladen, og tapen forbliver stram. Vi fortsætter med at holde håndtaget med fingrene i flere ti sekunder eller mere.

Ris. 2. Et levende eksempel på elastisk hysterese, vist ved hjælp af et returkryds

1 - edderkoppefigur, 2 - elastik,

3 - håndtag, 4 - håndflade, 5 - overflade

Efter et stykke tid bemærker vi, at figuren brat vil komme af overfladen og, tiltrukket af et varmekrympetape, hurtigt vil vende tilbage til vores hånd. I dette tilfælde, som i det foregående eksperiment, er der også et langsomt fald i spændingen, dvs. elastisk hysterese. De elastiske kræfter fra det strakte bånd overvinder mønstrets adhæsionskræfter til overfladen, som svækkes over tid. Som et resultat vender figuren tilbage til hånden. Materialet i legetøjet, der blev brugt i dette eksperiment, kaldes af reologer viskoelastisk. Dette navn er begrundet i, at det udviser både klæbrige egenskaber - når det klæber til en glat overflade, og elastiske egenskaber - på grund af hvilke det bryder væk fra denne overflade og vender tilbage til sin oprindelige tilstand.

nedstigende mand

Foto 1. En figur, der går ned ad en lodret væg, er også et godt eksempel på elastisk hysterese.

Dette eksperiment vil også bruge et let tilgængeligt legetøj lavet af viskoelastisk materiale (foto 1). Det er lavet i form af en figur af en mand eller en edderkop. Vi smider dette legetøj med udfoldede lemmer og vendt på hovedet på en flad lodret overflade, helst på en glas-, spejl- eller møbelvæg. En kastet genstand klæber til denne overflade. Efter noget tid, hvis varighed blandt andet afhænger af overfladens ruhed og kastehastigheden, kommer toppen af ​​legetøjet af. Dette sker som et resultat af det, der blev diskuteret tidligere. elastisk hysterese og virkningen af ​​figurens vægt, som erstatter den elastiske kraft af bæltet, som var til stede i det forrige eksperiment.

Under påvirkning af vægten bøjer den afmonterede del af legetøjet ned og brækker yderligere af, indtil delen igen rører den lodrette overflade. Efter denne berøring begynder den næste limning af figuren til overfladen. Som et resultat vil figuren blive limet igen, men i en hoved-ned-position. Processerne beskrevet nedenfor gentages, hvor figurerne skiftevis river benene af og derefter hovedet. Effekten er, at figuren går ned langs en lodret overflade, hvilket gør spektakulære flips.

Flydende plasticine

Ris. 3. Plasticine flow test

a) initial situation, b) final situation;

1 - håndflade, 2 - øvre del af plasticine,

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

I dette og flere efterfølgende eksperimenter vil vi bruge den plasticine, der findes i legetøjsbutikker, kendt som "magisk ler" eller "tricolin". Vi ælter et stykke plasticine i en form, der ligner en håndvægt, ca. 4 cm lang og med en diameter af tykkere dele inden for 1-2 cm og en indsnævringsdiameter på ca. 5 mm (fig. 3a). Vi tager fat i formen med fingrene i den øvre ende af den tykkere del og holder den ubevægelig eller hænger den lodret ved siden af ​​den installerede markør, der angiver placeringen af ​​den nederste ende af den tykkere del.

Når vi observerer placeringen af ​​den nedre ende af plasticinen, bemærker vi, at den langsomt bevæger sig nedad. I dette tilfælde er den midterste del af plasticinen komprimeret. Denne proces kaldes materialets strømning eller krybning og består i at øge dets forlængelse under påvirkning af konstant spænding. I vores tilfælde er denne stress forårsaget af vægten af ​​den nederste del af plasticine-håndvægten (fig. 3b). Fra et mikroskopisk synspunkt strøm dette er resultatet af en ændring i strukturen af ​​det materiale, der udsættes for belastninger i tilstrækkelig lang tid. På et tidspunkt er styrken af ​​den indsnævrede del så lille, at den knækker alene under vægten af ​​den nederste del af plasticinen. Strømningshastigheden afhænger af mange faktorer, herunder typen af ​​materiale, mængden og metoden til at påføre stress på det.

Den plasticine, vi bruger, er ekstremt følsom over for flow, og vi kan se den med det blotte øje på få XNUMX sekunder. Det er værd at tilføje, at magisk ler blev opfundet ved et uheld i USA under Anden Verdenskrig, da man forsøgte at fremstille et syntetisk materiale, der var egnet til fremstilling af dæk til militærkøretøjer. Som et resultat af ufuldstændig polymerisation blev der opnået et materiale, hvor et vist antal molekyler var ubundet, og bindingerne mellem andre molekyler kunne nemt ændre deres position under indflydelse af eksterne faktorer. Disse "hoppende" links bidrager til de fantastiske egenskaber ved hoppende ler.

vildfaren bold

Ris. 4. Sæt til test af plasticine til spredning og stressafspænding:

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

2 - gennemsigtig beholder, 3 - plasticine, 4 - base

Klem nu den magiske plasticine ind i en lille gennemsigtig beholder, åben i toppen, og sørg for, at der ikke er luftbobler i den (fig. 4a). Skibets højde og diameter skal være flere centimeter. Placer en stålkugle med en diameter på ca. Hvert par timer observerer vi boldens position. Bemærk, at det går dybere og dybere ind i plasticinen, som igen går ind i rummet over boldens overflade.

Efter tilstrækkelig lang tid, som afhænger af: kuglens vægt, den anvendte type plasticine, størrelsen af ​​kuglen og panden, den omgivende temperatur, bemærker vi, at kuglen når bunden af ​​panden. Rummet over bolden vil være helt fyldt med plasticine (fig. 4b). Dette forsøg viser, at materialet flyder og afstresse.

Springende plasticine

Form en kugle af magisk legedej og smid den hurtigt ud på en hård overflade, såsom gulvet eller væggen. Vi bemærker med overraskelse, at plasticinen preller af disse overflader som en hoppende gummibold. Magisk ler er en krop, der kan udvise både plastiske og elastiske egenskaber. Det afhænger af, hvor hurtigt belastningen vil virke på den.

Når spændinger påføres langsomt, som i tilfældet med æltning, udviser det plastiske egenskaber. På den anden side udviser plasticine elastiske egenskaber med den hurtige påføring af kraft, som opstår, når den kolliderer med et gulv eller en væg. Magisk ler kan kort kaldes en plastisk-elastisk krop.

Træk plasticine

Foto 2. Effekten af ​​langsom strækning af magisk ler (længden af ​​den strakte fiber er ca. 60 cm)

Denne gang skal du danne en magisk plasticine-cylinder på cirka 1 cm i diameter og et par centimeter lang. Tag begge ender med fingrene på din højre og venstre hånd og sæt rullen vandret. Derefter spreder vi langsomt armene ud til siderne i én lige linje, hvorved cylinderen strækkes i aksial retning. Vi føler, at plasticinen næsten ikke yder modstand, og vi bemærker, at den indsnævrer sig på midten.

Længden af ​​plasticincylinderen kan øges til flere ti centimeter, indtil der dannes en tynd tråd i dens centrale del, som vil bryde over tid (foto 2). Denne erfaring viser, at ved langsomt at påføre stress på en plastisk-elastisk krop, kan man forårsage en meget stor deformation uden at ødelægge den.

hård plasticine

Vi forbereder den magiske plasticincylinder på samme måde som i det forrige eksperiment og vikler vores fingre rundt om dens ender på samme måde. Efter at have koncentreret vores opmærksomhed spredte vi vores arme til siderne så hurtigt som muligt og ønskede at strække cylinderen skarpt. Det viser sig, at vi i dette tilfælde føler en meget høj modstand af plasticin, og cylinderen forlænges overraskende slet ikke, men bryder i halvdelen af ​​sin længde, som om den er skåret med en kniv (foto 3). Dette eksperiment viser også, at arten af ​​deformationen af ​​et plastisk-elastisk legeme afhænger af hastigheden af ​​påføring af spænding.

Plasticin er skrøbeligt som glas

Foto 3. Resultatet af den hurtige strækning af magisk plasticine - du kan se mange gange mindre forlængelse og en skarp kant, der ligner en revne i et skrøbeligt materiale

Dette eksperiment viser endnu tydeligere, hvordan stresshastigheden påvirker egenskaberne af en plastisk-elastisk krop. Form en kugle med en diameter på omkring 1,5 cm af magisk ler, og læg den på en solid, massiv base, såsom en tung stålplade, ambolt eller betongulv. Slå langsomt bolden med en hammer, der vejer mindst 0,5 kg (fig. 5a). Det viser sig, at kuglen i denne situation opfører sig som en plastik krop og flader ud, efter at en hammer falder på den (fig. 5b).

Form den flade plasticine til en kugle igen og læg den på pladen som før. Igen slår vi bolden med en hammer, men denne gang forsøger vi at gøre det så hurtigt som muligt (fig. 5c). Det viser sig, at plasticinkuglen i dette tilfælde opfører sig, som om den var lavet af et skrøbeligt materiale, såsom glas eller porcelæn, og ved sammenstød splintres den i stykker i alle retninger (fig. 5d).

Termisk maskine på farmaceutiske gummibånd

Stress i rheologiske materialer kan reduceres ved at hæve deres temperatur. Vi vil bruge denne effekt i en varmemotor med et overraskende funktionsprincip. For at samle det skal du bruge: et blikglasskruelåg, et dusin korte gummibånd, en stor nål, et rektangulært stykke tyndt metalplade og en lampe med en meget varm pære. Motorens design er vist i fig. 6. For at samle den skæres midterdelen ud fra dækslet, så der opnås en ring.

Ris. 5. Metode til påvisning af plasticin og skøre egenskaber af plasticin

a) langsomt at slå bolden b) langsomt at slå

c) et hurtigt slag på bolden, d) virkningen af ​​et hurtigt slag;

1 - plasticinkugle, 2 - solid og massiv plade, 3 - hammer,

v - hammerhastighed

I midten af ​​denne ring sætter vi en nål, som er aksen, og vi sætter elastikbånd på den, så de i midten af ​​deres længde hviler mod ringen og strækkes kraftigt. Elastikbåndene skal placeres symmetrisk på ringen, således opnås et hjul med eger dannet af elastikbånd. Bøj et stykke metalplade til en stegjern med armene strakt ud, så du kan placere den tidligere lavede cirkel mellem dem og dække halvdelen af ​​dens overflade. På den ene side af cantileveren, ved begge dets lodrette kanter, laver vi en udskæring, der giver os mulighed for at placere hjulakslen i den.

Placer hjulakslen i udskæringen af ​​støtten. Vi drejer hjulet med fingrene og tjekker om det er afbalanceret, dvs. stopper den i enhver position. Hvis dette ikke er tilfældet, skal du balancere hjulet ved let at flytte det sted, hvor gummibåndene møder ringen. Sæt beslaget på bordet og belys den del af cirklen, der stikker ud fra dens buer, med en meget varm lampe. Det viser sig, at hjulet efter et stykke tid begynder at rotere.

Årsagen til denne bevægelse er den konstante ændring i positionen af ​​hjulets massecenter som følge af en effekt kaldet rheologer. termisk stressafspænding.

Denne afspænding er baseret på, at et stærkt belastet elastisk materiale trækker sig sammen ved opvarmning. I vores motor er dette materiale gummibånd på hjulet, der stikker ud fra beslagets beslag og opvarmes af en pære. Som et resultat forskydes hjulets massecenter til den side, der er dækket af støttearmene. Som et resultat af hjulets rotation falder de opvarmede gummibånd mellem støttens skuldre og afkøles, da de er skjult for pæren. Afkølede viskelædere forlænges igen. Rækkefølgen af ​​de beskrevne processer sikrer den kontinuerlige rotation af hjulet.

Ikke kun spektakulære eksperimenter

Ris. 6. Designet af en varmemotor lavet af farmaceutiske gummibånd

a) set fra siden

b) snit efter et aksialt plan; 1 - ring, 2 - nål, 3 - farmaceutisk viskelæder,

4 - beslag, 5 - udskæring i beslaget, 6 - pære

Nu rheologi er et hastigt voksende interessefelt for både fysikere og specialister inden for tekniske videnskaber. Rheologiske fænomener kan i nogle situationer have en negativ indvirkning på det miljø, de opstår i, og skal tages i betragtning, for eksempel ved design af store stålkonstruktioner, der deformeres over tid. De skyldes spredning af materialet under påvirkning af virkende belastninger og dets egen vægt.

Nøjagtige målinger af tykkelsen af ​​kobberpladerne, der dækker stejle tage og glasmosaikvinduer i historiske kirker, har vist, at disse elementer er tykkere i bunden end i toppen. Dette er resultatet strømbåde kobber og glas under egen vægt i flere hundrede år. Rheologiske fænomener bruges også i mange moderne og økonomiske fremstillingsteknologier. Et eksempel er genanvendelse af plast. De fleste produkter fremstillet af disse materialer fremstilles i øjeblikket ved ekstrudering, trækning og blæsestøbning. Dette gøres efter opvarmning af materialet og påføring af tryk på det med en passende valgt hastighed. Således blandt andet folier, stænger, rør, fibre, samt legetøj og maskindele med komplekse former. Meget vigtige fordele ved disse metoder er lave omkostninger og ikke-spild.