Кога Хуковиот закон веќе не е доволен...

Според Хуковиот закон, познат од училишните учебници, издолжувањето на телото треба да биде директно пропорционално на применетиот стрес. Меѓутоа, многу материјали кои се од големо значење во современата технологија и секојдневниот живот само приближно го исполнуваат овој закон или се однесуваат сосема поинаку. Физичарите и инженерите велат дека таквите материјали имаат реолошки својства. Проучувањето на овие својства ќе биде предмет на некои интересни експерименти.

Реологијата е проучување на својствата на материјалите чие однесување оди подалеку од теоријата на еластичност врз основа на гореспоменатиот Хуков закон. Ова однесување е поврзано со многу интересни појави. Тие вклучуваат, особено: доцнење во враќањето на материјалот во првобитната состојба по намалувањето на стресот, т.е. еластична хистереза; зголемување на издолжувањето на телото под постојан стрес, инаку наречен проток; или повеќекратно зголемување на отпорноста на деформација и цврстина на првично пластично тело, до појава на својства карактеристични за кршливи материјали.

Мрзлив владетел

Едниот крај на пластичен линијар долг 30 cm или повеќе е фиксиран во челустите на порокот така што линијарот е поставен вертикално (сл. 1). Го отклонуваме горниот крај на линијарот од вертикалата само неколку милиметри и го ослободуваме. Забележете дека слободниот дел од линијарот осцилира неколку пати околу вертикалната положба на рамнотежа и се враќа во првобитната состојба (сл. 1а). Набљудуваните осцилации се хармонични, бидејќи при мали отклонувања големината на еластичната сила што дејствува како водечка сила е директно пропорционална со отклонувањето на крајот на линијарот. Ова однесување на линијарот е опишано со теоријата на еластичност. 

Ориз. 1. Проучување на еластична хистереза ​​со помош на линијар

1 – брза помош,

2 – вилици на пороци, А – отстапување на крајот на линијарот од вертикалата

Во вториот дел од експериментот, го отклонуваме горниот крај на линијарот неколку сантиметри, го ослободуваме и го набљудуваме неговото однесување (сл. 1б). Сега овој крај полека се враќа во својата рамнотежна позиција. Ова се должи на надминување на границата на еластичност на материјалот на линијарот. Споменатиот ефект се нарекува еластична хистереза. Се состои во бавно враќање на деформираното тело во првобитната состојба. Ако го повториме последниот експеримент, навалувајќи го горниот крај на линијарот уште повеќе, ќе откриеме дека неговото враќање исто така ќе биде побавно и може да потрае до неколку минути. Дополнително, линијарот нема да се врати точно во својата вертикална положба и ќе остане трајно свиткан. Ефектите опишани во вториот дел од експериментот се само еден од субјекти за истражување на реологијата.

Враќање птица или пајак

За следниот експеримент ќе користиме играчка која е евтина и лесна за купување (понекогаш дури и достапна во киосци). Се состои од рамна фигура во форма на птица или друго животно, како што е пајакот, поврзана со долга лента за рачка во облик на прстен (сл. 2а). Целата играчка е изработена од еластичен, малку леплив материјал налик на гума. Лентата може многу лесно да се развлече, зголемувајќи ја нејзината должина неколку пати без да ја кине. Ние спроведуваме експеримент во близина на мазна површина, како што е огледало стакло или мебелен ѕид. Ја држиме рачката со прстите од едната рака и правиме замав, а со тоа ја фрламе играчката на мазна површина. Ќе забележите дека фигурата се залепи на површината и лентата останува затегната. Продолжуваме да ја држиме рачката со прстите неколку десетици секунди или повеќе.

Ориз. 2. Впечатлив пример на еластична хистереза, прикажан со помош на повратен крст

1 – фигурина на пајак, 2 – еластична лента,

3 – рачка, 4 – дланка, 5 – мазна површина

По некое време, забележуваме дека фигурата нагло ќе се симне од површината и, повлечена со лента за собирање, брзо ќе се врати во нашата рака. Во овој случај, како и во претходниот експеримент, се случува и бавно распаѓање на напонот, т.е. еластична хистереза. Еластичните сили на затегнатата лента ги надминуваат силите на прилепување на шарата на површината, кои со текот на времето слабеат. Како резултат на тоа, парчето се враќа во раката. Материјалот на играчката што се користи во овој експеримент е наречен од реолозите вискоеластична. Ова име е оправдано со фактот што покажува и лепливи својства - кога се лепи за мазна површина, и еластични својства - поради што се одлепува од оваа површина и се враќа во првобитната состојба.

Човекот во опаѓање

Фотографија 1. Фигурина што се спушта по вертикален ѕид е исто така одличен пример за еластична хистереза.

Овој експеримент ќе користи и лесно достапна играчка од вискоеластичен материјал (Фотографија 1). Направено е во форма на фигура на човек или пајак. Ја фрламе оваа играчка со продолжени екстремитети и свртена глава на рамна вертикална површина, по можност на стакло, огледало или ѕид од мебел. Фрлен предмет се залепи на оваа површина. По одредено време, чие времетраење зависи, меѓу другото, од грубоста на површината и брзината на фрлање, врвот на играчката се симнува. Ова се случува како резултат на она што беше дискутирано претходно. еластична хистереза и дејството на тежината на фигурата, што ја заменува еластичната сила на појасот присутна во претходниот експеримент.

Под влијание на тежината, одвоениот дел од играчката се наведнува надолу и понатаму се откачува додека делот повторно не ја допре вертикалната површина. По овој допир, започнува следното лепење на фигурата на површината. Како резултат на тоа, фигурата повторно ќе се залепи заедно, но во положба со главата надолу. Процесите опишани подолу се повторуваат, при што фигурите наизменично ги кинат нозете, а потоа и главата. Ефектот е дека фигурата се спушта по вертикална површина, изведувајќи спектакуларни превртувања.

Проточна пластилина

Ориз. 3. Тест за флуидност на пластилин

а) почетна состојба, б) конечна состојба;

1 – дланка, 2 – горен дел од пластелин,

3 – индикатор, 4 – стегање, 5 – искинато парче пластелин

Во овој и неколку последователни експерименти ќе користиме глина достапна во продавниците за играчки, позната како „магична глина“ или „триколин“. Месеме парче пластелин во форма слична на гира, долга околу 4 cm и со дијаметар на подебелите делови од 1-2 cm и дијаметар на стеснување од околу 5 mm (сл. 3а). Калапот го фаќаме со прстите за горниот крај на подебелиот дел и го држиме неподвижен или го закачуваме вертикално до инсталираниот маркер што ја покажува локацијата на долниот крај на подебелиот дел.

Набљудувајќи ја положбата на долниот крај на пластилината, забележуваме дека полека се движи надолу. Во овој случај, средниот дел од пластилината е компресиран. Овој процес се нарекува проток или лази на материјалот и се состои во зголемување на неговото издолжување под влијание на постојан стрес. Во нашиот случај, оваа напнатост е предизвикана од тежината на долниот дел од гирата од пластелин (сл. 3б). Од микроскопска гледна точка струја ова е резултат на промена на структурата на материјалот кој е подложен на стрес долго време. Во еден момент, јачината на стеснетиот дел е толку мала што се крши само под тежината на долниот дел од пластелинот. Стапката на проток зависи од многу фактори, вклучувајќи го типот на материјалот и големината и начинот на примена на стрес врз него.

Пластелината што ја користиме е исклучително чувствителна на проток и можеме да ја видиме со голо око по само неколку десетици секунди. Вреди да се додаде дека магичната глина беше измислена случајно во САД, за време на Втората светска војна, кога беа направени обиди да се произведе синтетички материјал погоден за производство на гуми за воена опрема. Како резултат на нецелосна полимеризација, добиен е материјал во кој одреден број на молекули беа неврзани, а врските меѓу другите молекули лесно можеа да ја променат својата позиција под влијание на надворешни фактори. Овие „отскокнувачки“ врски придонесуваат за неверојатните отскокнувачки својства на глината.

залутана топка

Ориз. 4. Сет за тестирање на пластелин за ширење и релаксација на стресот:

а) почетна состојба, б) конечна состојба; 1 - челична топка,

2 – проѕирен сад, 3 – пластелин, 4 – основа

Сега исцедете ја магичната пластелин во мал проѕирен сад отворен на врвот, внимавајќи да нема воздушни меури во него (сл. 4а). Висината и дијаметарот на садот треба да бидат неколку сантиметри. Ставете челична топка со дијаметар од приближно 1,5 cm во центарот на горната површина на пластелинот.Оставете го садот со топката сам. На секои неколку часа ја набљудуваме позицијата на топката. Имајте на ум дека оди се подлабоко и подлабоко во пластилината, која, пак, оди во просторот над површината на топката.

По доволно долго време, кое зависи од: тежината на топката, видот на пластелин што се користи, големината на топката и тавата, температурата на околината, забележуваме дека топката стигнува до дното на тавата. Просторот над топката ќе биде целосно исполнет со пластелин (сл. 4б). Овој експеримент покажува дека материјалот тече и ослободат од стресот.

Скокање пластилина

Формирајте топка од магична глина и брзо испуштете ја на тврда површина, како што е подот или ѕидот. Изненадени сме кога забележуваме дека пластелинот се одбива од овие површини како еластична гумена топка. Магичната пластилина е тело што може да покаже и пластични и еластични својства. Зависи од тоа колку брзо товарот се нанесува на него.

Кога стресот се нанесува бавно, како во случајот со месење, тој покажува пластични својства. Од друга страна, со брзата примена на сила, која се јавува при судир со под или ѕид, пластилината покажува еластични својства. Магичната пластилина може накратко да се нарече пластично-еластично тело.

Затегнувачка пластилина

Фотографија 2. Ефектот на бавно истегнување на магичната пластелин (должината на истегнатото влакно е приближно 60 см)

Овој пат формирајте магичен цилиндар од пластелин со дијаметар од околу 1 cm и должина од неколку сантиметри. Фатете ги двата краја со десниот и левиот прст и поставете го ролерот хоризонтално. Потоа полека ги шириме рацете на страните во една права линија, со што предизвикуваме истегнување на цилиндерот во аксијален правец. Чувствуваме дека глината не дава речиси никаков отпор и забележуваме дека се стеснува во средината.

Должината на цилиндерот од пластелин може да се зголеми на неколку десетици сантиметри додека во неговиот централен дел не се формира тенок конец, кој со текот на времето ќе се скрши (слика 2). Овој експеримент покажува дека со бавно напрегање на пластично-еластично тело, можно е да се предизвика многу голема деформација без да се уништи.

Цврста пластилина

Магичниот цилиндар од пластелин го подготвуваме на ист начин како и во претходниот експеримент и на ист начин ги обвиткуваме прстите околу неговите краеви. Откако го концентриравме вниманието, ги раширивме рацете на страните што е можно побрзо, сакајќи остро да го истегнеме цилиндерот. Излегува дека во овој случај чувствуваме многу висок отпор на пластилината, а цилиндерот, изненадувачки, воопшто не се издолжува, туку се скрши на половина од должината, како да се сече со нож (слика 3). Овој експеримент исто така покажува дека природата на деформацијата на пластично-еластично тело зависи од стапката на примена на стрес.

Пластилината е кревка како стакло

Фотографија 3. Резултат на брзо истегнување на магичната пластелин - можете да видите многу пати помалку издолжување и остар раб, кој потсетува на пукнатина во кревок материјал

Овој експеримент покажува уште појасно како стапката на напрегање влијае на својствата на пластично-еластично тело. Формирајте ја волшебната глина во топка со дијаметар од околу 1,5 cm и ставете ја на цврста цврста основа како што е тешка челична плоча, наковална или бетонски под. Полека удирајте ја топката со чекан со тежина од најмалку 0,5 kg (сл. 5а). Излегува дека во оваа ситуација топката се однесува како пластично тело и се сплеска откако ќе падне чекан врз неа (сл. 5б).

Повторно обликувајте ја сплесканата пластелин во топка и ставете ја на чинијата како претходно. Повторно ја удираме топката со чекан, но овој пат се трудиме да го направиме тоа што е можно побрзо (сл. 5в). Излегува дека топката од пластелин во овој случај се однесува како да е направена од кршлив материјал, како стакло или порцелан, и при ударот се расфрла на парчиња во сите правци (сл. 5г).

Термичка машина на фармацевтски еластични ленти

Стресот во реолошките материјали може да се намали со зголемување на нивната температура. Овој ефект ќе го користиме во топлински мотор со неверојатен принцип на работа. За да го склопите ќе ви требаат: калај заврткана капа од тегла, десетина кратки гумени ленти, голема игла, правоаголно парче тенок лим и светилка со многу жешка сијалица. Дизајнот на моторот е прикажан на сл. 6. За да го склопите, исечете го средниот дел од капакот за да добиете прстен.

Ориз. 5. Метод за демонстрација на пластелин и кревките својства на пластилината

а) бавни удари на топката, б) бавни удари,

в) брз удар на топката, г) ефект на брз удар;

1 – топка од пластелин, 2 – тврда и масивна плоча, 3 – чекан,

v – брзина на чекан

Во центарот на овој прстен ставаме игла која е оската и врз неа ставаме ластичиња така што во средината на нивната должина се потпираат на прстенот и цврсто се развлекуваат. Гумените ленти треба да се постават симетрично на прстенот, со што се создава тркало со краци формирани од гумени ленти. Свиткајте парче метал во форма на заграда со продолжени раце, што ќе ви овозможи да го поставите претходно направениот круг меѓу нив и да покриете половина од неговата површина. На едната страна од конзолата, на двата вертикални рабови, правиме исечок што ни овозможува да ја поставиме оската на тркалото во неа.

Поставете ја оската на тркалото во исечокот на потпирачот. Со прстите го вртиме тркалото и проверуваме дали е избалансирано, т.е. дали застанува во која било положба? Ако тоа не е случај, балансирајте го тркалото со благо поместување каде што гумените ленти се спојуваат со прстенот. Ставете го држачот на масата и осветлете го делот од кругот што излегува од неговите краци со силна грејна ламба. Излегува дека по некое време тркалото почнува да ротира.

Причината за ова движење е постојаната промена на положбата на центарот на масата на тркалото како резултат на ефектот наречен реологија релаксација на термички стрес.

Оваа релаксација се заснова на фактот дека високо напрегнат еластичен материјал се собира кога се загрева. Во нашиот мотор, овој материјал е гумени ленти од страната на тркалото кои излегуваат од држачот на држачот и се загреваат со сијалица. Како резултат на тоа, центарот на масата на тркалото се префрла на страната покриена со потпорните краци. Како резултат на ротацијата на тркалото, загреаните гумени ленти паѓаат помеѓу краците на потпирачот и се ладат, бидејќи таму се скриени од сијалицата. Изладените гуми повторно се издолжуваат. Редоследот на опишаните процеси обезбедува континуирана ротација на тркалото.

Не само спектакуларни експерименти

Ориз. 6. Дизајн на топлински мотор изработен од фармацевтски гумени ленти

а) страничен поглед,

б) пресек по аксијална рамнина; 1 – прстен, 2 – игла, 3 – фармацевтска гума,

4 – држач, 5 – исечок во заградата, 6 – сијалица

Сега реологија е поле кое брзо се развива од интерес и за физичарите и за инженерските научници. Реолошките појави во некои ситуации можат да имаат негативни ефекти врз околината во која се појавуваат и мора да се земат предвид, на пример при дизајнирање на големи челични конструкции кои се деформираат со текот на времето. Тие произлегуваат како резултат на ширење на материјалот под влијание на постоечките оптоварувања и сопствената тежина.

Точните мерења на дебелината на бакарните лимови што ги покриваат стрмните покриви и витражите во историските цркви покажаа дека овие елементи се подебели на дното отколку на врвот. Ова е резултатот струјаи бакар и стакло под сопствена тежина неколку стотици години. Реолошките појави се користат и во многу современи и економични производствени технологии. Пример е рециклирањето пластика. Повеќето производи направени од овие материјали сега се произведуваат со истиснување, истегнување и обликување со дување. Ова се прави по загревање на материјалот и примена на притисок врз него со соодветно избрана брзина. Така, меѓу другото, фолии, прачки, цевки, влакна, како и играчки и машински делови од сложени форми. Многу важни предности на овие методи се ниската цена и без отпад.