Kapag hindi na sapat ang Batas ni Hooke...

Ayon sa batas ni Hooke na kilala mula sa mga aklat-aralin sa paaralan, ang pagpahaba ng isang katawan ay dapat na direktang proporsyonal sa inilapat na diin. Gayunpaman, maraming mga materyales na may malaking kahalagahan sa modernong teknolohiya at pang-araw-araw na buhay ay humigit-kumulang lamang na sumusunod sa batas na ito o kumikilos nang ganap na naiiba. Sinasabi ng mga pisiko at inhinyero na ang mga naturang materyales ay may mga katangiang rheolohiko. Ang pag-aaral ng mga katangiang ito ay magiging paksa ng ilang kawili-wiling mga eksperimento.

Ang Rheology ay ang pag-aaral ng mga katangian ng mga materyales na ang pag-uugali ay lampas sa teorya ng elastisidad batay sa nabanggit na batas ni Hooke. Ang pag-uugali na ito ay nauugnay sa maraming mga kagiliw-giliw na phenomena. Kabilang dito, sa partikular: ang pagkaantala sa pagbabalik ng materyal sa orihinal nitong estado pagkatapos ng pagbaba ng boltahe, ibig sabihin, nababanat na hysteresis; pagtaas sa pagpapahaba ng katawan sa pare-pareho ang stress, kung hindi man ay tinatawag na daloy; o isang maramihang pagtaas sa paglaban sa pagpapapangit at katigasan ng isang unang plastic na katawan, hanggang sa hitsura ng mga katangian na katangian ng mga malutong na materyales.

tamad na pinuno

Ang isang dulo ng isang plastic ruler na may haba na 30 cm o higit pa ay naayos sa vise jaws upang ang ruler ay patayo (Larawan 1). Tinatanggihan namin ang itaas na dulo ng pinuno mula sa patayo sa pamamagitan lamang ng ilang milimetro at pinakawalan ito. Tandaan na ang malayang bahagi ng ruler ay umuusad ng ilang beses sa paligid ng vertical equilibrium na posisyon at bumalik sa orihinal nitong estado (Larawan 1a). Ang mga naobserbahang oscillations ay harmonic, dahil sa maliliit na deflection ang magnitude ng elastic force na kumikilos bilang isang giya na puwersa ay direktang proporsyonal sa pagpapalihis ng dulo ng ruler. Ang pag-uugali na ito ng pinuno ay inilarawan ng teorya ng pagkalastiko. 

kanin. 1. Pag-aaral ng elastic hysteresis gamit ang ruler

1 - ambulansya,

2 - vise jaws, A - deviation ng dulo ng ruler mula sa vertical

Sa ikalawang bahagi ng eksperimento, pinalihis namin ang itaas na dulo ng ruler ng ilang sentimetro, pinakawalan ito, at sinusunod ang pag-uugali nito (Larawan 1b). Ngayon ang pagtatapos na ito ay dahan-dahang bumabalik sa posisyon ng ekwilibriyo. Ito ay dahil sa labis na nababanat na limitasyon ng materyal ng ruler. Ang epektong ito ay tinatawag nababanat na hysteresis. Binubuo ito sa mabagal na pagbabalik ng deformed body sa orihinal nitong estado. Kung uulitin natin ang huling eksperimentong ito, na ikiling ang tuktok na dulo ng ruler nang higit pa, malalaman natin na ang pagbabalik nito ay magiging mas mabagal din at maaaring tumagal ng hanggang ilang minuto. Bilang karagdagan, ang pinuno ay hindi babalik nang eksakto sa patayong posisyon at mananatiling permanenteng baluktot. Ang mga epektong inilarawan sa ikalawang bahagi ng eksperimento ay isa lamang sa mga paksa ng pananaliksik sa rheology.

Bumabalik na ibon o gagamba

Para sa susunod na karanasan, gagamit kami ng mura at madaling bilhin na laruan (minsan available pa sa mga kiosk). Binubuo ito ng isang flat figurine sa anyo ng isang ibon o iba pang hayop, tulad ng isang spider, na konektado sa pamamagitan ng isang mahabang strap na may hugis-singsing na hawakan (Larawan 2a). Ang buong laruan ay gawa sa isang nababanat, parang goma na materyal na bahagyang malagkit sa pagpindot. Ang tape ay maaaring maiunat nang napakadaling, pinatataas ang haba nito nang maraming beses nang hindi napunit. Nagsasagawa kami ng isang eksperimento malapit sa isang makinis na ibabaw, tulad ng salamin na salamin o isang muwebles na dingding. Gamit ang mga daliri ng isang kamay, hawakan ang hawakan at iwagayway, at sa gayon ay ihahagis ang laruan sa isang makinis na ibabaw. Mapapansin mo na ang pigurin ay dumidikit sa ibabaw at ang tape ay mananatiling mahigpit. Patuloy naming hinahawakan ang hawakan gamit ang aming mga daliri sa loob ng ilang sampu-sampung segundo o higit pa.

kanin. 2. Isang matingkad na halimbawa ng elastic hysteresis, na ipinapakita gamit ang isang pabalik na krus

1 - spider figurine, 2 - goma band,

3 - hawakan, 4 - palad, 5 - ibabaw

Pagkaraan ng ilang oras, napansin namin na ang pigurin ay biglang lalabas sa ibabaw at, na naaakit ng isang heat shrink tape, ay mabilis na babalik sa aming mga kamay. Sa kasong ito, tulad ng sa nakaraang eksperimento, mayroon ding mabagal na pagkabulok ng boltahe, ibig sabihin, nababanat na hysteresis. Ang nababanat na puwersa ng nakaunat na tape ay nagtagumpay sa mga puwersa ng pagdirikit ng pattern sa ibabaw, na humihina sa paglipas ng panahon. Bilang isang resulta, ang pigura ay bumalik sa kamay. Ang materyal ng laruang ginamit sa eksperimentong ito ay tinatawag ng mga rheologist viscoelastic. Ang pangalan na ito ay nabigyang-katwiran sa pamamagitan ng katotohanan na ito ay nagpapakita ng parehong malagkit na mga katangian - kapag ito ay dumikit sa isang makinis na ibabaw, at nababanat na mga katangian - dahil sa kung saan ito ay humiwalay mula sa ibabaw na ito at bumalik sa orihinal nitong estado.

pababang lalaki

Larawan 1. Ang isang figurine na bumababa sa isang patayong pader ay isa ring magandang halimbawa ng elastic hysteresis.

Ang eksperimentong ito ay gagamit din ng madaling magagamit na laruan na gawa sa viscoelastic na materyal (larawan 1). Ito ay ginawa sa anyo ng isang pigura ng isang tao o isang gagamba. Itinatapon namin ang laruang ito na may naka-deploy na mga limbs at nakabaligtad sa isang patag na patayong ibabaw, mas mabuti sa isang salamin, salamin o muwebles na dingding. Ang isang itinapon na bagay ay dumidikit sa ibabaw na ito. Pagkaraan ng ilang oras, ang tagal nito ay nakasalalay, bukod sa iba pang mga bagay, sa pagkamagaspang ng ibabaw at ang bilis ng pagkahagis, ang tuktok ng laruan ay lumalabas. Nangyayari ito bilang resulta ng napag-usapan kanina. nababanat na hysteresis at ang pagkilos ng bigat ng pigura, na pumapalit sa nababanat na puwersa ng sinturon, na naroroon sa nakaraang eksperimento.

Sa ilalim ng impluwensya ng bigat, ang hiwalay na bahagi ng laruan ay yumuyuko at masira pa hanggang sa muling mahawakan ng bahagi ang patayong ibabaw. Pagkatapos ng pagpindot na ito, magsisimula ang susunod na gluing ng figure sa ibabaw. Bilang isang resulta, ang figure ay nakadikit muli, ngunit sa isang head-down na posisyon. Ang mga prosesong inilarawan sa ibaba ay paulit-ulit, na ang mga figure ay halili na pinupunit ang mga binti at pagkatapos ay ang ulo. Ang epekto ay ang pigura ay bumababa sa isang patayong ibabaw, na gumagawa ng mga kamangha-manghang pag-flip.

Ang likidong plasticine

kanin. 3. Pagsubok sa daloy ng plasticine

a) paunang sitwasyon, b) huling sitwasyon;

1 - palad, 2 - itaas na bahagi ng plasticine,

3 - indicator, 4 - constriction, 5 - punit-punit na piraso ng plasticine

Sa ito at sa ilang kasunod na mga eksperimento, gagamitin namin ang plasticine na makukuha sa mga tindahan ng laruan, na kilala bilang "magic clay" o "tricolin". Masahin namin ang isang piraso ng plasticine sa isang hugis na katulad ng isang dumbbell, mga 4 cm ang haba at may diameter ng mas makapal na mga bahagi sa loob ng 1-2 cm at isang makitid na diameter na mga 5 mm (Larawan 3a). Kinuha namin ang paghubog gamit ang aming mga daliri sa itaas na dulo ng mas makapal na bahagi at hawakan ito nang hindi gumagalaw o i-hang ito nang patayo sa tabi ng naka-install na marker na nagpapahiwatig ng lokasyon ng ibabang dulo ng mas makapal na bahagi.

Ang pagmamasid sa posisyon ng mas mababang dulo ng plasticine, tandaan namin na ito ay dahan-dahang bumababa. Sa kasong ito, ang gitnang bahagi ng plasticine ay naka-compress. Ang prosesong ito ay tinatawag na daloy o kilabot ng materyal at binubuo sa pagtaas ng pagpahaba nito sa ilalim ng pagkilos ng patuloy na diin. Sa aming kaso, ang stress na ito ay sanhi ng bigat ng mas mababang bahagi ng plasticine dumbbell (Larawan 3b). Mula sa isang mikroskopikong pananaw kasalukuyan ito ay ang resulta ng isang pagbabago sa istraktura ng materyal na sumailalim sa mga load para sa isang sapat na mahabang panahon. Sa isang punto, ang lakas ng makitid na bahagi ay napakaliit na nasira sa ilalim ng bigat ng mas mababang bahagi ng plasticine lamang. Ang rate ng daloy ay nakasalalay sa maraming mga kadahilanan, kabilang ang uri ng materyal, ang dami at paraan ng paglalapat ng stress dito.

Ang plasticine na ginagamit namin ay sobrang sensitibo sa pagdaloy, at makikita namin ito sa mata sa loob lamang ng ilang sampung segundo. Ito ay nagkakahalaga ng pagdaragdag na ang magic clay ay naimbento nang hindi sinasadya sa Estados Unidos, noong Ikalawang Digmaang Pandaigdig, nang ang mga pagtatangka ay ginawa upang makabuo ng isang sintetikong materyal na angkop para sa paggawa ng mga gulong para sa mga sasakyang militar. Bilang resulta ng hindi kumpletong polimerisasyon, nakuha ang isang materyal kung saan ang isang tiyak na bilang ng mga molekula ay hindi nakagapos, at ang mga bono sa pagitan ng iba pang mga molekula ay madaling mabago ang kanilang posisyon sa ilalim ng impluwensya ng mga panlabas na kadahilanan. Ang mga "bounce" na link na ito ay nag-aambag sa mga kamangha-manghang katangian ng nagba-bounce na luad.

ligaw na bola

kanin. 4. Itakda para sa pagsubok ng plasticine para sa pagkalat at pagpapahinga ng stress:

a) paunang sitwasyon, b) huling sitwasyon; 1 - bolang bakal,

2 - transparent na sisidlan, 3 - plasticine, 4 - base

Ngayon, pisilin ang magic plasticine sa isang maliit na transparent na sisidlan, buksan sa itaas, siguraduhin na walang mga bula ng hangin sa loob nito (Larawan 4a). Ang taas at diameter ng sisidlan ay dapat na ilang sentimetro. Maglagay ng bolang bakal na halos 1,5 cm ang lapad sa gitna ng itaas na ibabaw ng plasticine.Iniiwan namin ang sisidlan na ang bola ay nag-iisa. Bawat ilang oras ay inoobserbahan namin ang posisyon ng bola. Tandaan na ito ay palalim nang palalim sa plasticine, na kung saan ay napupunta sa espasyo sa itaas ng ibabaw ng bola.

Matapos ang isang sapat na mahabang panahon, na nakasalalay sa: ang bigat ng bola, ang uri ng plasticine na ginamit, ang laki ng bola at ang kawali, ang temperatura sa paligid, napansin namin na ang bola ay umabot sa ilalim ng kawali. Ang espasyo sa itaas ng bola ay ganap na mapupuno ng plasticine (Larawan 4b). Ang eksperimentong ito ay nagpapakita na ang materyal ay dumadaloy at pampawala ng stress.

Paglukso ng plasticine

Bumuo ng bola ng magic playdough at mabilis na ihagis ito sa matigas na ibabaw gaya ng sahig o dingding. Napansin namin nang may pagtataka na ang plasticine ay tumalbog sa mga ibabaw na ito tulad ng isang tumatalbog na bola ng goma. Ang magic clay ay isang katawan na maaaring magpakita ng parehong plastik at nababanat na mga katangian. Depende ito sa kung gaano kabilis ang pag-load dito.

Kapag ang mga stress ay inilapat nang dahan-dahan, tulad ng sa kaso ng pagmamasa, nagpapakita ito ng mga katangian ng plastik. Sa kabilang banda, sa mabilis na paggamit ng puwersa, na nangyayari kapag bumabangga sa isang sahig o dingding, ang plasticine ay nagpapakita ng nababanat na mga katangian. Ang magic clay ay maaaring madaling tawaging isang plastic-elastic body.

Makunot na plasticine

Larawan 2. Ang epekto ng mabagal na pag-uunat ng magic clay (ang haba ng nakaunat na hibla ay humigit-kumulang 60 cm)

Sa pagkakataong ito, bumuo ng magic plasticine cylinder na mga 1 cm ang lapad at ilang sentimetro ang haba. Kunin ang magkabilang dulo gamit ang mga daliri ng iyong kanan at kaliwang kamay at itakda ang roller nang pahalang. Pagkatapos ay dahan-dahan naming ikinakalat ang aming mga braso sa mga gilid sa isang tuwid na linya, sa gayon ay nagiging sanhi ng pag-uunat ng silindro sa direksyon ng ehe. Nararamdaman namin na ang plasticine ay nag-aalok ng halos walang pagtutol, at napansin namin na ito ay makitid sa gitna.

Ang haba ng plasticine cylinder ay maaaring tumaas sa ilang sampu-sampung sentimetro, hanggang sa mabuo ang isang manipis na thread sa gitnang bahagi nito, na masisira sa paglipas ng panahon (larawan 2). Ang karanasang ito ay nagpapakita na sa pamamagitan ng dahan-dahang paglalapat ng stress sa isang plastic-elastic na katawan, ang isa ay maaaring maging sanhi ng isang napakalaking pagpapapangit nang hindi sinisira ito.

matigas na plasticine

Inihahanda namin ang magic plasticine cylinder sa parehong paraan tulad ng sa nakaraang eksperimento at ibalot ang aming mga daliri sa mga dulo nito sa parehong paraan. Ang pagkakaroon ng konsentrasyon ng aming pansin, ikinakalat namin ang aming mga armas sa mga gilid nang mabilis hangga't maaari, na gustong iunat nang husto ang silindro. Ito ay lumiliko na sa kasong ito ay nararamdaman namin ang isang napakataas na pagtutol ng plasticine, at ang silindro, nakakagulat, ay hindi humahaba sa lahat, ngunit nasira sa kalahati ng haba nito, na parang pinutol ng isang kutsilyo (larawan 3). Ipinapakita rin ng eksperimentong ito na ang likas na katangian ng pagpapapangit ng isang plastic-elastic na katawan ay nakasalalay sa rate ng paglalapat ng stress.

Ang plasticine ay marupok tulad ng salamin

Larawan 3. Ang resulta ng mabilis na pag-uunat ng magic plasticine - makikita mo nang maraming beses na mas kaunting pagpahaba at isang matalim na gilid, na kahawig ng isang bitak sa isang malutong na materyal

Mas malinaw na ipinapakita ng eksperimentong ito kung paano nakakaapekto ang rate ng stress sa mga katangian ng isang plastic-elastic na katawan. Bumuo ng bola na may diameter na humigit-kumulang 1,5 cm mula sa magic clay at ilagay ito sa isang solid, napakalaking base, tulad ng isang mabigat na steel plate, anvil, o kongkretong sahig. Dahan-dahang pindutin ang bola gamit ang martilyo na tumitimbang ng hindi bababa sa 0,5 kg (Larawan 5a). Lumalabas na sa sitwasyong ito ang bola ay kumikilos tulad ng isang plastik na katawan at namumugto pagkatapos mahulog ang isang martilyo dito (Larawan 5b).

Buuin muli ang flattened plasticine na bola at ilagay ito sa plato gaya ng dati. Muli naming pinindot ang bola gamit ang martilyo, ngunit sa pagkakataong ito sinusubukan naming gawin ito nang mabilis hangga't maaari (Larawan 5c). Lumalabas na ang plasticine ball sa kasong ito ay kumikilos na parang ito ay gawa sa isang marupok na materyal, tulad ng salamin o porselana, at sa pagtama ay nabasag ito sa lahat ng direksyon (Larawan 5d).

Thermal machine sa pharmaceutical rubber bands

Ang stress sa mga rheological na materyales ay maaaring mabawasan sa pamamagitan ng pagtaas ng kanilang temperatura. Gagamitin namin ang epektong ito sa isang heat engine na may nakakagulat na prinsipyo ng operasyon. Upang tipunin ito, kakailanganin mo: isang takip ng tornilyo sa lata ng lata, isang dosenang o higit pang maikling goma, isang malaking karayom, isang hugis-parihaba na piraso ng manipis na sheet na metal, at isang lampara na may napakainit na bombilya. Ang disenyo ng motor ay ipinapakita sa Fig. 6. Upang tipunin ito, gupitin ang gitnang bahagi mula sa takip upang makakuha ng singsing.

kanin. 5. Paraan para sa pagpapakita ng plasticine at malutong na katangian ng plasticine

a) mabagal na pagtama ng bola b) mabagal na pagtama

c) isang mabilis na hit sa bola, d) ang epekto ng isang mabilis na hit;

1 - plasticine ball, 2 - solid at napakalaking plato, 3 - martilyo,

v - bilis ng martilyo

Sa gitna ng singsing na ito ay naglalagay kami ng isang karayom, na siyang axis, at naglalagay ng mga nababanat na banda dito upang sa gitna ng haba nito ay nagpapahinga sila laban sa singsing at malakas na nakaunat. Ang mga nababanat na banda ay dapat na mailagay nang simetriko sa singsing, sa gayon, ang isang gulong na may mga spokes na nabuo mula sa nababanat na mga banda ay nakuha. Ibaluktot ang isang piraso ng sheet metal sa hugis ng crampon na nakaunat ang mga braso, na nagpapahintulot sa iyo na ilagay ang dating ginawang bilog sa pagitan ng mga ito at takpan ang kalahati ng ibabaw nito. Sa isang gilid ng cantilever, sa magkabilang vertical na gilid nito, gumagawa kami ng cutout na nagpapahintulot sa amin na ilagay ang wheel axle dito.

Ilagay ang wheel axle sa cutout ng suporta. Pinaikot namin ang gulong gamit ang aming mga daliri at suriin kung ito ay balanse, i.e. humihinto ba ito sa anumang posisyon. Kung hindi ito ang kaso, balansehin ang gulong sa pamamagitan ng bahagyang paglilipat sa lugar kung saan nakakatugon ang mga rubber band sa singsing. Ilagay ang bracket sa mesa at ilawan ang bahagi ng bilog na nakausli mula sa mga arko nito gamit ang napakainit na lampara. Lumalabas na pagkaraan ng ilang sandali ay nagsimulang umikot ang gulong.

Ang dahilan ng paggalaw na ito ay ang patuloy na pagbabago sa posisyon ng sentro ng masa ng gulong bilang resulta ng isang epekto na tinatawag na rheologist. pagpapahinga ng thermal stress.

Ang pagpapahinga na ito ay batay sa katotohanan na ang isang mataas na stressed na nababanat na materyal ay kumukuha kapag pinainit. Sa aming makina, ang materyal na ito ay mga goma sa gilid ng gulong na nakausli mula sa bracket bracket at pinainit ng isang bumbilya. Bilang resulta, ang sentro ng masa ng gulong ay inilipat sa gilid na sakop ng mga braso ng suporta. Bilang resulta ng pag-ikot ng gulong, ang pinainit na mga goma na banda ay nahuhulog sa pagitan ng mga balikat ng suporta at lumalamig, dahil doon sila ay nakatago mula sa bombilya. Ang mga pinalamig na pambura ay humahaba muli. Tinitiyak ng pagkakasunud-sunod ng mga prosesong inilarawan ang tuluy-tuloy na pag-ikot ng gulong.

Hindi lamang mga kamangha-manghang mga eksperimento

kanin. 6. Ang disenyo ng isang heat engine na gawa sa pharmaceutical rubber bands

a) side view

b) seksyon sa pamamagitan ng isang axial plane; 1 - singsing, 2 - karayom, 3 - pambura ng parmasyutiko,

4 - bracket, 5 - cutout sa bracket, 6 - bombilya

Ngayon rheology ay isang mabilis na umuunlad na larangan ng interes sa parehong mga physicist at mga espesyalista sa larangan ng mga teknikal na agham. Ang mga rheological phenomena sa ilang mga sitwasyon ay maaaring magkaroon ng masamang epekto sa kapaligiran kung saan nangyari ang mga ito at dapat isaalang-alang, halimbawa, kapag nagdidisenyo ng malalaking istruktura ng bakal na nababago sa paglipas ng panahon. Ang mga ito ay nagreresulta mula sa pagkalat ng materyal sa ilalim ng pagkilos ng kumikilos na mga load at sarili nitong timbang.

Ang mga tumpak na sukat ng kapal ng mga tansong kumot na sumasaklaw sa matarik na bubong at mga stained glass na bintana sa mga makasaysayang simbahan ay nagpakita na ang mga elementong ito ay mas makapal sa ibaba kaysa sa itaas. Ito ang resulta kasalukuyanparehong tanso at salamin sa ilalim ng kanilang sariling timbang sa loob ng ilang daang taon. Ginagamit din ang rheological phenomena sa maraming moderno at matipid na teknolohiya sa pagmamanupaktura. Ang isang halimbawa ay ang pag-recycle ng mga plastik. Karamihan sa mga produktong ginawa mula sa mga materyales na ito ay kasalukuyang ginawa sa pamamagitan ng pagpilit, pagguhit at paghuhulma ng suntok. Ginagawa ito pagkatapos ng pagpainit ng materyal at paglalapat ng presyon dito sa isang naaangkop na napiling rate. Kaya, bukod sa iba pang mga bagay, ang mga foil, baras, tubo, hibla, pati na rin ang mga laruan at mga bahagi ng makina ng mga kumplikadong hugis. Napakahalaga ng mga bentahe ng mga pamamaraang ito ay mababang gastos at hindi basura.