Kui Hooke'i seadusest enam ei piisa...

Kooliõpikutest tuntud Hooke’i seaduse järgi peaks keha pikenemine olema otseselt võrdeline rakendatava pingega. Paljud kaasaegses tehnikas ja igapäevaelus suure tähtsusega materjalid vastavad aga sellele seadusele vaid ligilähedaselt või käituvad hoopis teisiti. Füüsikud ja insenerid ütlevad, et sellistel materjalidel on reoloogilised omadused. Nende omaduste uurimine on mõne huvitava katse teema.

Reoloogia on selliste materjalide omaduste uurimine, mille käitumine ületab elastsusteooria, mis põhineb ülalmainitud Hooke'i seadusel. Seda käitumist seostatakse paljude huvitavate nähtustega. Nende hulka kuuluvad eelkõige: materjali algolekusse naasmise viivitus pärast pingelangust, st elastne hüsterees; keha pikenemise suurenemine pideva stressi korral, mida muidu nimetatakse vooluks; või algselt plastilise keha deformatsioonikindluse ja kõvaduse mitmekordne suurenemine kuni rabedatele materjalidele iseloomulike omaduste ilmnemiseni.

laisk valitseja

Plastikust 30 cm või pikema joonlaua üks ots kinnitatakse kruustangide lõugadesse nii, et joonlaud on vertikaalselt (joonis 1). Tõrjume joonlaua ülemise otsa vertikaalist vaid mõne millimeetri võrra tagasi ja vabastame selle. Pange tähele, et joonlaua vaba osa võngub mitu korda ümber vertikaalse tasakaaluasendi ja naaseb algsesse olekusse (joonis 1a). Vaadeldud võnkumised on harmoonilised, kuna väikeste läbipainete korral on juhtiva jõuna mõjuva elastsusjõu suurus võrdeline joonlaua otsa läbipaindega. Sellist joonlaua käitumist kirjeldab elastsuse teooria. 

Riis. 1. Elastse hüstereesi uurimine joonlaua abil

1 - kiirabi,

2 - kruustangid, A - joonlaua otsa kõrvalekalle vertikaalist

Katse teises osas kaldume joonlaua ülemist otsa mõne sentimeetri võrra kõrvale, vabastame selle ja jälgime selle käitumist (joonis 1b). Nüüd on see ots aeglaselt tasakaaluasendisse naasmas. Selle põhjuseks on joonlaua materjali elastsuspiiri ületamine. Seda efekti nimetatakse elastne hüsterees. See seisneb deformeerunud keha aeglases naasmises algsesse olekusse. Kui korrata seda viimast katset, kallutades joonlaua ülemist otsa veelgi, avastame, et ka selle tagasipöördumine on aeglasem ja võib võtta kuni mitu minutit. Lisaks ei naase joonlaud täpselt vertikaalasendisse ja jääb püsivalt painutama. Katse teises osas kirjeldatud mõjud on vaid üks neist reoloogia uurimisained.

Tagasipöörduv lind või ämblik

Järgmiseks kogemuseks kasutame odavat ja lihtsalt ostetavat mänguasja (mõnikord isegi kioskites saadaval). See koosneb lamedast linnu või muu looma, näiteks ämbliku, kujukesest, mis on ühendatud rõngakujulise käepidemega pika rihmaga (joonis 2a). Kogu mänguasi on valmistatud elastsest kummitaolisest materjalist, mis on puudutamisel kergelt kleepuv. Teipi saab väga lihtsalt venitada, suurendades selle pikkust mitu korda ilma rebenemata. Teeme katse sileda pinna, näiteks peegelklaasi või mööbliseina lähedal. Hoidke ühe käe sõrmedega käepidemest ja tehke laine, visates sellega mänguasja siledale pinnale. Märkad, et kujuke kleepub pinnale ja teip jääb pingul. Jätkame käepideme hoidmist sõrmedega mitukümmend sekundit või kauem.

Riis. 2. Elastne hüstereesi ilmekas näide, mis on näidatud tagastusristi abil

1 - ämblikukujuke, 2 - kummipael,

3 - käepide, 4 - peopesa, 5 - pind

Mõne aja pärast märkame, et kujuke tuleb pinnalt järsult lahti ja naaseb termokahaneva teibiga kiiresti meie kätte. Sel juhul, nagu eelmises katses, toimub ka pinge aeglane vähenemine, st elastne hüsterees. Venitatud lindi elastsusjõud ületavad mustri pinnaga nakkumise jõud, mis aja jooksul nõrgenevad. Selle tulemusena naaseb kujund kätte. Selles katses kasutatud mänguasja materjali nimetavad reoloogid viskoelastne. Seda nimetust õigustab asjaolu, et sellel on nii kleepuvad omadused - kui see kleepub siledale pinnale - kui ka elastsed omadused, mille tõttu see sellelt pinnalt eemaldub ja naaseb algsesse olekusse.

laskuv mees

Foto 1. Vertikaalsest seinast laskuv kujuke on ka suurepärane näide elastsest hüstereesist.

Selles katses kasutatakse ka kergesti kättesaadavat viskoelastsest materjalist mänguasja (foto 1). See on valmistatud mehe või ämbliku kujuga. Viskame selle mänguasja lahtiste jäsemetega ja tagurpidi pööratud tasasele vertikaalsele pinnale, eelistatavalt klaasile, peeglile või mööbliseinale. Sellele pinnale kleepub visatud ese. Mõne aja möödudes, mille kestus sõltub muuhulgas pinna karedusest ja viskekiirusest, tuleb mänguasja ülaosa maha. See juhtub varem räägitu tulemusena. elastne hüsterees ja figuuri raskuse mõju, mis asendab vöö elastsusjõudu, mis oli eelmises katses.

Mänguasja eraldunud osa raskuse mõjul paindub allapoole ja murdub edasi, kuni osa uuesti vertikaalset pinda puudutab. Pärast seda puudutust algab järgmine figuuri liimimine pinnale. Selle tulemusel liimitakse figuur uuesti, kuid pea allapoole. Allpool kirjeldatud protsesse korratakse, kusjuures figuurid rebivad vaheldumisi jalgu ja seejärel pea. Tulemuseks on see, et kuju laskub mööda vertikaalset pinda, tehes suurejoonelisi pöördeid.

Vedel plastiliin

Riis. 3. Plastiliini voolukatse

a) algseis, b) lõppolukord;

1 - peopesa, 2 - plastiliini ülemine osa,

3 - indikaator, 4 - ahenemine, 5 - rebenenud plastiliinitükk

Selles ja mitmes järgnevas katses kasutame mänguasjapoodides saadaolevat plastiliini, mida tuntakse kui "võlusavi" või "trikoliini". Sõtkume hantliga sarnase kujuga plastiliinitüki, mille pikkus on umbes 4 cm ja mille paksemate osade läbimõõt jääb 1-2 cm vahemikku ja kitseneva läbimõõduga umbes 5 mm (joonis 3a). Haarame liistust sõrmedega paksema osa ülemisest otsast ja hoiame seda liikumatult või riputame vertikaalselt paigaldatud markeri kõrvale, mis näitab paksema osa alumise otsa asukohta.

Jälgides plastiliini alumise otsa asendit, märkame, et see liigub aeglaselt alla. Sellisel juhul surutakse plastiliini keskosa kokku. Seda protsessi nimetatakse materjali voolamiseks või roomamiseks ja see seisneb selle pikenemise suurendamises pideva pinge toimel. Meie puhul on selle pinge põhjuseks plastiliinist hantli alumise osa kaal (joonis 3b). Mikroskoopilisest vaatenurgast praegune see on tingitud materjali struktuuri muutumisest, mis on piisavalt pikaks ajaks koormatud. Ühel hetkel on kitsendatud osa tugevus nii väike, et see puruneb ainuüksi plastiliini alumise osa raskuse all. Voolukiirus sõltub paljudest teguritest, sealhulgas materjali tüübist, selle pinge kogusest ja meetodist.

Meie kasutatav plastiliin on äärmiselt voolutundlik ja seda näeme palja silmaga vaid mõnekümne sekundiga. Tasub lisada, et maagiline savi leiutati kogemata Ameerika Ühendriikides, II maailmasõja ajal, mil prooviti toota sõjaväesõidukite rehvide tootmiseks sobivat sünteetilist materjali. Mittetäieliku polümerisatsiooni tulemusena saadi materjal, milles teatud arv molekule oli sidumata ja sidemed teiste molekulide vahel võisid välistegurite mõjul kergesti oma asukohta muuta. Need "põrkavad" lingid aitavad kaasa põrkava savi hämmastavatele omadustele.

hulkuv pall

Riis. 4. Komplekt plastiliini testimiseks hajutamiseks ja stressi leevendamiseks:

a) algseis, b) lõppolukord; 1 - teraskuul,

2 - läbipaistev anum, 3 - plastiliin, 4 - alus

Nüüd pigista maagiline plastiliin väikesesse läbipaistvasse anumasse, mis on ülaosast avatud, jälgides, et selles ei oleks õhumulle (joonis 4a). Anuma kõrgus ja läbimõõt peaksid olema mitu sentimeetrit. Asetage plastiliini ülemise pinna keskele umbes 1,5 cm läbimõõduga teraskuul.Jätame anuma palliga rahule. Iga paari tunni järel jälgime palli asukohta. Pange tähele, et see läheb aina sügavamale plastiliini sisse, mis omakorda läheb palli pinna kohal olevasse ruumi.

Pärast piisavalt pikka aega, mis sõltub: palli kaalust, kasutatud plastiliini tüübist, palli ja panni suurusest, ümbritseva õhu temperatuurist, märkame, et pall jõuab panni põhja. Palli kohal olev ruum täidetakse täielikult plastiliiniga (joonis 4b). See katse näitab, et materjal voolab ja stressi leevendama.

Plastiliini hüppamine

Vormige maagilisest mängutaignast pall ja visake see kiiresti kõvale pinnale, näiteks põrandale või seinale. Märkame üllatusega, et plastiliin põrkab neilt pindadelt nagu põrgav kummipall. Maagiline savi on keha, millel on nii plastilised kui ka elastsed omadused. See sõltub sellest, kui kiiresti koormus sellele mõjub.

Kui pingeid rakendatakse aeglaselt, nagu sõtkumisel, on sellel plastilised omadused. Teisest küljest on plastiliinil elastsed omadused kiire jõu rakendamisega, mis tekib põranda või seinaga kokkupõrkel. Maagilist savi võib lühidalt nimetada plasti-elastseks kehaks.

Tõmbe plastiliin

Foto 2. Maagilise savi aeglase venitamise efekt (venitatud kiu pikkus ca 60 cm)

Vormi seekord umbes 1 cm läbimõõduga ja mõne sentimeetri pikkune maagiline plastiliinist silinder. Võtke parema ja vasaku käe sõrmedega mõlemad otsad ja seadke rull horisontaalselt. Seejärel sirutame käed aeglaselt ühel sirgel küljel laiali, pannes seeläbi silindri aksiaalsuunas venitama. Tunneme, et plastiliin ei paku peaaegu mingit vastupanu ja märkame, et see kitseneb keskelt.

Plastiliini silindri pikkust saab suurendada mitmekümne sentimeetrini, kuni selle keskosas moodustub õhuke niit, mis aja jooksul katkeb (foto 2). See kogemus näitab, et plasti-elastsele kehale aeglaselt pinget rakendades võib tekitada väga suure deformatsiooni ilma seda lõhkumata.

kõva plastiliin

Valmistame maagilise plastiliini silindri samamoodi nagu eelmises katses ja keerame samamoodi sõrmed ümber selle otste. Olles oma tähelepanu koondanud, sirutasime käed võimalikult kiiresti külgedele, soovides silindrit järsult venitada. Selgub, et sel juhul tunneme plastiliini väga suurt takistust ja silinder üllatuslikult ei pikene üldse, vaid puruneb pooleks, nagu oleks noaga lõigatud (foto 3). See katse näitab ka, et plastiline-elastse keha deformatsiooni iseloom sõltub pinge rakendamise kiirusest.

Plastiliin on habras nagu klaas

Foto 3. Maagilise plastiliini kiire venitamise tulemus - näete kordades vähem venivust ja teravat serva, mis meenutab hapra materjali pragu

See katse näitab veelgi selgemalt, kuidas pingemäär mõjutab plastiliselt elastse keha omadusi. Vormi maagilisest savist umbes 1,5 cm läbimõõduga pall ja aseta see tugevale massiivsele alusele, näiteks raskele terasplaadile, alasile või betoonpõrandale. Lööge palli aeglaselt vähemalt 0,5 kg kaaluva haamriga (joonis 5a). Selgub, et sellises olukorras käitub pall nagu plastkeha ja tõmbub haamri peale kukkudes välja (joonis 5b).

Vormi lapik plastiliin uuesti palliks ja aseta plaadile nagu enne. Taas lööme palli haamriga, kuid seekord proovime seda teha võimalikult kiiresti (joonis 5c). Selgub, et plastiliinipall käitub sel juhul nii, nagu oleks haprast materjalist, näiteks klaasist või portselanist, ning puruneb kokkupõrkel igas suunas tükkideks (joonis 5d).

Termiline masin farmaatsiakummiribadel

Reoloogiliste materjalide stressi saab vähendada nende temperatuuri tõstmisega. Kasutame seda efekti üllatava tööpõhimõttega soojusmasinas. Selle kokkupanekuks läheb vaja: plekkpurgi keeratavat korki, kümmekond lühikest kummipaela, suurt nõela, ristkülikukujulist õhukest plekitükki ja väga kuuma pirniga lampi. Mootori konstruktsioon on näidatud joonisel 6. Selle kokkupanekuks lõigake kaanest välja keskosa, nii et tekib rõngas.

Riis. 5. Meetod plastiliini ja plastiliini rabeduse demonstreerimiseks

a) aeglane palli löömine b) aeglane löömine

c) kiirlöök pallile, d) kiirlöögi mõju;

1 - plastiliinist pall, 2 - kindel ja massiivne plaat, 3 - vasar,

v - vasara kiirus

Selle sõrmuse keskele paneme nõela, mis on telg, ja asetame sellele elastsed ribad, nii et need toetuvad pikkuse keskel vastu rõngast ja on tugevalt venitatud. Elastsed ribad tuleks asetada rõngale sümmeetriliselt, nii saadakse elastsetest ribadest moodustatud kodaratega ratas. Painutage plekitükk väljasirutatud kätega kramplikuks, võimaldades nende vahele asetada eelnevalt tehtud ring ja katta pool selle pinnast. Konsooli ühele küljele, selle mõlemale vertikaalsele servale, teeme väljalõike, mis võimaldab asetada sellesse rattatelje.

Asetage rattatelg toe väljalõikesse. Pöörame ratast sõrmedega ja kontrollime, kas see on tasakaalus, st. kas see peatub mis tahes asendis. Kui see nii ei ole, tasakaalustage ratas, nihutades veidi kohta, kus kummiribad rõngaga kokku puutuvad. Asetage kronstein lauale ja valgustage selle võlvidest väljaulatuvat ringi osa väga kuuma lambiga. Selgub, et mõne aja pärast hakkab ratas pöörlema.

Sellise liikumise põhjuseks on ratta massikeskme asukoha pidev muutumine reoloogideks kutsutava efekti tagajärjel. termilise stressi leevendamine.

See lõdvestumine põhineb asjaolul, et tugevalt pingestatud elastne materjal tõmbub kuumutamisel kokku. Meie mootoris on selleks materjaliks kronsteini kronsteinist väljaulatuvad rattapoolsed kummiribad, mida soojendab lambipirn. Selle tulemusena nihkub ratta massikese tugiõlgadega kaetud küljele. Ratta pöörlemise tulemusena langevad kuumutatud kummiribad toe õlgade vahele ja jahtuvad, kuna seal on need pirni eest peidetud. Jahutatud kustutuskummid venivad taas pikemaks. Kirjeldatud protsesside järjestus tagab ratta pideva pöörlemise.

Mitte ainult suurejoonelised katsed

Riis. 6. Farmaatsiakummist valmistatud soojusmasina konstruktsioon

a) külgvaade

b) läbilõige telgtasapinna järgi; 1 - rõngas, 2 - nõel, 3 - farmaatsia kustutuskumm,

4 - kronstein, 5 - väljalõige kronsteinis, 6 - pirn

Nüüd reoloogia on kiiresti arenev huviala nii füüsikutele kui ka tehnikateaduste valdkonna spetsialistidele. Mõnes olukorras võivad reoloogilised nähtused avaldada ebasoodsat mõju nende esinemiskeskkonnale ja nendega tuleb arvestada näiteks suurte teraskonstruktsioonide projekteerimisel, mis aja jooksul deformeeruvad. Need tulenevad materjali levimisest mõjuvate koormuste ja oma raskuse mõjul.

Ajalooliste kirikute järske katuseid ja vitraaže katvate vaskplekkide paksuse täpsed mõõtmised on näidanud, et need elemendid on alt paksemad kui ülalt. See on tulemus praegunenii vask kui klaas oma raskuse all mitusada aastat. Reoloogilisi nähtusi kasutatakse ka paljudes kaasaegsetes ja säästlikes tootmistehnoloogiates. Näiteks võib tuua plasti ringlussevõtu. Enamik neist materjalidest valmistatud tooteid valmistatakse praegu ekstrusiooni, tõmbamise ja puhumisvormimise teel. Seda tehakse pärast materjali kuumutamist ja sellele sobivalt valitud kiirusega surve avaldamist. Nii muuhulgas fooliumid, vardad, torud, kiud, aga ka keeruka kujuga mänguasjad ja masinaosad. Nende meetodite väga olulised eelised on madal hind ja jäätmevabadus.