Kad ar Huka likumu vairs nepietiek...

Saskaņā ar Hūka likumu, kas zināms no skolas mācību grāmatām, ķermeņa pagarinājumam jābūt tieši proporcionālam pielietotajam spriegumam. Taču daudzi materiāli, kuriem ir liela nozīme mūsdienu tehnoloģijās un ikdienā, tikai aptuveni atbilst šim likumam vai arī uzvedas pavisam citādi. Fiziķi un inženieri saka, ka šādiem materiāliem piemīt reoloģiskas īpašības. Šo īpašību izpēte būs dažu interesantu eksperimentu priekšmets.

Reoloģija ir tādu materiālu īpašību izpēte, kuru uzvedība pārsniedz elastības teoriju, pamatojoties uz iepriekš minēto Huka likumu. Šī uzvedība ir saistīta ar daudzām interesantām parādībām. Tie jo īpaši ietver: aizkavēšanos materiāla atgriešanā sākotnējā stāvoklī pēc sprieguma krituma, t.i., elastīgo histerēzi; ķermeņa pagarinājuma palielināšanās pie pastāvīga stresa, citādi saukta par plūsmu; vai sākotnēji plastmasas korpusa deformācijas izturības un cietības daudzkārtēja palielināšanās līdz trausliem materiāliem raksturīgo īpašību parādīšanās.

slinks valdnieks

Plastmasas lineāla, kura garums ir 30 cm vai vairāk, viens gals ir nostiprināts skrūvspīļu spīļos tā, lai lineāls būtu vertikāls (1. att.). Mēs noraidām lineāla augšējo galu no vertikāles tikai par dažiem milimetriem un atlaižam to. Ņemiet vērā, ka lineāla brīvā daļa vairākas reizes svārstās ap vertikālā līdzsvara stāvokli un atgriežas sākotnējā stāvoklī (1.a att.). Novērotās svārstības ir harmoniskas, jo pie mazām novirzēm elastīgā spēka, kas darbojas kā virzošais spēks, lielums ir tieši proporcionāls lineāla gala novirzei. Šo lineāla uzvedību apraksta elastības teorija. 

Rīsi. 1. Elastīgās histerēzes izpēte, izmantojot lineālu

1 – ātrā palīdzība,

2 - skrūvspīļu spīles, A - lineāla gala novirze no vertikāles

Eksperimenta otrajā daļā mēs novirzām lineāla augšējo galu par dažiem centimetriem, atlaižam to un novērojam tā uzvedību (1.b att.). Tagad šis gals lēnām atgriežas līdzsvara stāvoklī. Tas ir saistīts ar lineāla materiāla elastības robežas pārsniegšanu. Šo efektu sauc elastīgā histerēze. Tas sastāv no deformētā ķermeņa lēnas atgriešanās sākotnējā stāvoklī. Ja atkārtosim šo pēdējo eksperimentu, vēl vairāk noliecot lineāla augšējo galu, mēs atklāsim, ka arī tā atgriešanās būs lēnāka un var ilgt pat vairākas minūtes. Turklāt lineāls neatgriezīsies precīzi vertikālā stāvoklī un paliks pastāvīgi saliekts. Eksperimenta otrajā daļā aprakstītie efekti ir tikai viens no tiem reoloģijas pētniecības priekšmeti.

Atgriežas putns vai zirneklis

Nākamajai pieredzei izmantosim lētu un viegli nopērkamu rotaļlietu (dažkārt pat nopērkamu kioskos). Tas sastāv no plakanas figūriņas putna vai cita dzīvnieka, piemēram, zirnekļa formā, kas savienota ar garu siksnu ar gredzenveida rokturi (2.a att.). Visa rotaļlieta ir izgatavota no elastīga, gumijai līdzīga materiāla, kas ir nedaudz lipīgs uz tausti. Lentu var ļoti viegli izstiept, vairākas reizes palielinot tās garumu, to nesaraujot. Mēs veicam eksperimentu pie gludas virsmas, piemēram, spoguļstikla vai mēbeļu sienas. Ar vienas rokas pirkstiem turiet rokturi un veiciet vilni, tādējādi uzmetot rotaļlietu uz gludas virsmas. Jūs ievērosiet, ka figūriņa pielīp pie virsmas un lente paliek stingra. Mēs turpinām turēt rokturi ar pirkstiem vairākus desmitus sekunžu vai ilgāk.

Rīsi. 2. Spilgts elastīgās histerēzes piemērs, kas parādīts, izmantojot atgriešanās krustu

1 - zirnekļa figūriņa, 2 - gumijas lente,

3 - rokturis, 4 - plauksta, 5 - virsma

Pēc kāda laika mēs pamanām, ka figūriņa pēkšņi atkāpsies no virsmas un, termosarūkošās lentes pievilināta, ātri atgriezīsies mūsu rokās. Šajā gadījumā, tāpat kā iepriekšējā eksperimentā, notiek arī lēna sprieguma samazināšanās, t.i., elastīgā histerēze. Izstieptās lentes elastīgie spēki pārvar raksta saķeres spēkus ar virsmu, kas laika gaitā vājinās. Rezultātā figūra atgriežas rokā. Šajā eksperimentā izmantotās rotaļlietas materiālu sauc reologi viskoelastīgs. Šāds nosaukums ir pamatots ar to, ka tam piemīt gan lipīgas īpašības - kad tas pielīp pie gludas virsmas, gan elastīgas īpašības -, kuru dēļ tas atraujas no šīs virsmas un atgriežas sākotnējā stāvoklī.

lejupejošs cilvēks

Foto 1. Statuete, kas nolaižas pa vertikālu sienu, ir arī lielisks elastīgās histerēzes piemērs.

Šajā eksperimentā tiks izmantota arī viegli pieejama rotaļlieta, kas izgatavota no viskoelastīga materiāla (1. fotoattēls). Tas ir izgatavots vīrieša vai zirnekļa figūras formā. Mēs metam šo rotaļlietu ar izvērstām ekstremitātēm un apgrieztu otrādi uz līdzenas vertikālas virsmas, vēlams uz stikla, spoguļa vai mēbeļu sienas. Izmests priekšmets pielīp pie šīs virsmas. Pēc kāda laika, kura ilgums, cita starpā, ir atkarīgs no virsmas raupjuma un mešanas ātruma, rotaļlietas augšdaļa nokrīt. Tas notiek iepriekš apspriestā rezultātā. elastīgā histerēze un figūras svara darbība, kas aizstāj jostas elastīgo spēku, kas bija iepriekšējā eksperimentā.

Smaguma ietekmē rotaļlietas atdalītā daļa noliecas un lūst tālāk, līdz daļa atkal pieskaras vertikālajai virsmai. Pēc šī pieskāriena sākas nākamā figūras līmēšana uz virsmas. Rezultātā figūra atkal tiks pielīmēta, bet pozīcijā ar galvu uz leju. Tālāk aprakstītie procesi tiek atkārtoti, figūrām pārmaiņus noraujot kājas un pēc tam galvu. Rezultāts ir tāds, ka figūra nolaižas pa vertikālu virsmu, radot iespaidīgus apgriezienus.

Šķidrais plastilīns

Rīsi. 3. Plastilīna plūsmas tests

a) sākotnējā situācija, b) galīgā situācija;

1 - plauksta, 2 - plastilīna augšējā daļa,

3 - indikators, 4 - sašaurināšanās, 5 - saplēsts plastilīna gabals

Šajā un vairākos turpmākajos eksperimentos mēs izmantosim rotaļlietu veikalos pieejamo plastilīnu, kas pazīstams kā "burvju māls" vai "trikolīns". Mēs mīcam plastilīna gabalu hantelei līdzīgā formā, apmēram 4 cm garumā un ar biezāku daļu diametru 1-2 cm robežās un šaurāku diametru aptuveni 5 mm (3.a zīm.). Ar pirkstiem satveram moldingu aiz biezākās daļas augšējā gala un turam nekustīgu vai pakarinām vertikāli blakus uzstādītajam marķierim, norādot resnākās daļas apakšējā gala atrašanās vietu.

Vērojot plastilīna apakšējā gala stāvokli, mēs atzīmējam, ka tas lēnām virzās uz leju. Šajā gadījumā plastilīna vidusdaļa tiek saspiesta. Šo procesu sauc par materiāla plūsmu vai šļūdei, un tas sastāv no tā pagarinājuma palielināšanas pastāvīga sprieguma ietekmē. Mūsu gadījumā šo stresu rada plastilīna hanteles apakšējās daļas svars (3.b att.). No mikroskopiskā viedokļa strāva tas ir pietiekami ilgu laiku slodzei pakļautā materiāla struktūras izmaiņu rezultāts. Vienā brīdī sašaurinātās daļas izturība ir tik maza, ka tā salūzt zem plastilīna apakšējās daļas svara vien. Plūsmas ātrums ir atkarīgs no daudziem faktoriem, tostarp materiāla veida, sprieguma daudzuma un metodes.

Mūsu izmantotais plastilīns ir ārkārtīgi jutīgs pret plūsmu, un mēs to varam redzēt ar neapbruņotu aci vien dažu desmitu sekunžu laikā. Jāpiebilst, ka burvju māls nejauši tika izgudrots ASV, Otrā pasaules kara laikā, kad tika mēģināts ražot sintētisku materiālu, kas piemērots militāro transportlīdzekļu riepu ražošanai. Nepilnīgas polimerizācijas rezultātā tika iegūts materiāls, kurā noteikts skaits molekulu bija nesaistītas, un saites starp citām molekulām varēja viegli mainīt savu stāvokli ārējo faktoru ietekmē. Šīs "atlecošās" saites veicina atlecošā māla pārsteidzošās īpašības.

klaiņojoša bumba

Rīsi. 4. Komplekts plastilīna testēšanai smērēšanai un stresa relaksācijai:

a) sākotnējā situācija, b) galīgā situācija; 1 - tērauda lode,

2 - caurspīdīgs trauks, 3 - plastilīns, 4 - pamatne

Tagad izspiediet maģisko plastilīnu mazā caurspīdīgā traukā, atveriet augšpusē, pārliecinoties, ka tajā nav gaisa burbuļu (4.a zīm.). Kuģa augstumam un diametram jābūt vairākiem centimetriem. Plastilīna augšējās virsmas centrā novietojiet tērauda lodi apmēram 1,5 cm diametrā. Mēs atstājam trauku ar bumbu vienu. Ik pēc dažām stundām mēs novērojam bumbiņas stāvokli. Ņemiet vērā, ka tas ieiet arvien dziļāk plastilīnā, kas, savukārt, nonāk telpā virs bumbiņas virsmas.

Pēc pietiekami ilga laika, kas ir atkarīgs no: bumbiņas svara, izmantotā plastilīna veida, bumbiņas un pannas izmēra, apkārtējās vides temperatūras, pamanām, ka bumbiņa sasniedz pannas dibenu. Vieta virs bumbas tiks pilnībā piepildīta ar plastilīnu (4.b att.). Šis eksperiments parāda, ka materiāls plūst un noņemt stresu.

Lēcošs plastilīns

Izveidojiet burvju rotaļu mīklas bumbu un ātri uzmetiet to uz cietas virsmas, piemēram, grīdas vai sienas. Ar pārsteigumu pamanām, ka plastilīns atlec no šīm virsmām kā atlecoša gumijas bumbiņa. Burvju māls ir korpuss, kam var būt gan plastiskas, gan elastīgas īpašības. Tas ir atkarīgs no tā, cik ātri slodze uz to iedarbosies.

Ja spriegums tiek piemērots lēni, piemēram, mīcīšanas gadījumā, tam piemīt plastiskas īpašības. No otras puses, strauji pieliekot spēku, kas rodas, saskaroties ar grīdu vai sienu, plastilīnam piemīt elastīgas īpašības. Burvju mālu īsumā var saukt par plastiski elastīgu ķermeni.

Stiepes plastilīns

Foto 2. Burvju māla lēnas stiepšanās efekts (izstieptās šķiedras garums ir aptuveni 60 cm)

Šoreiz izveido maģisku plastilīna cilindru apmēram 1 cm diametrā un dažus centimetrus garu. Paņemiet abus galus ar labās un kreisās rokas pirkstiem un novietojiet rullīti horizontāli. Tad mēs lēnām izpletām rokas uz sāniem vienā taisnā līnijā, tādējādi liekot cilindram izstiepties aksiālā virzienā. Jūtam, ka plastilīns gandrīz nepretendē, un pamanām, ka tas pa vidu sašaurinās.

Plastilīna cilindra garumu var palielināt līdz vairākiem desmitiem centimetru, līdz tā centrālajā daļā izveidojas tievs pavediens, kas laika gaitā pārtrūks (2. foto). Šī pieredze liecina, ka, lēnām pieliekot spriegumu plastiski elastīgam korpusam, var radīt ļoti lielu deformāciju, to nesabojājot.

cietais plastilīns

Maģisko plastilīna cilindru sagatavojam tāpat kā iepriekšējā eksperimentā un tādā pašā veidā apvijam pirkstus ap tā galiem. Sakoncentrējuši uzmanību, pēc iespējas ātrāk izpletām rokas uz sāniem, vēloties asi izstiept cilindru. Izrādās, ka šajā gadījumā mēs jūtam ļoti lielu plastilīna pretestību, un cilindrs, pārsteidzoši, nemaz nepagarinās, bet salūzt uz pusi, it kā ar nazi pārgriezts (foto 3). Šis eksperiments arī parāda, ka plastiski elastīga ķermeņa deformācijas raksturs ir atkarīgs no sprieguma pielikšanas ātruma.

Plastilīns ir trausls kā stikls

Foto 3. Maģiskā plastilīna ātrās stiepšanas rezultāts - var redzēt daudzkārt mazāku izstiepumu un asu malu, kas atgādina plaisu trauslā materiālā

Šis eksperiments vēl skaidrāk parāda, kā sprieguma ātrums ietekmē plastiski elastīga ķermeņa īpašības. No burvju māla izveidojiet bumbu ar diametru aptuveni 1,5 cm un novietojiet to uz cieta, masīva pamata, piemēram, smagas tērauda plāksnes, laktas vai betona grīdas. Lēnām sitiet pa bumbu ar āmuru, kas sver vismaz 0,5 kg (5.a att.). Izrādās, ka šajā situācijā bumbiņa uzvedas kā plastmasas korpuss un saplacinās pēc tam, kad tai uzkrīt āmurs (5.b att.).

No saplacinātā plastilīna atkal veido bumbu un liek uz šķīvja tāpat kā iepriekš. Atkal sitam pa bumbu ar āmuru, bet šoreiz cenšamies to izdarīt pēc iespējas ātrāk (5.c att.). Izrādās, ka plastilīna bumbiņa šajā gadījumā uzvedas tā, it kā būtu izgatavota no trausla materiāla, piemēram, stikla vai porcelāna, un pēc trieciena tā saplīst gabalos uz visām pusēm (5.d att.).

Termiskā iekārta uz farmācijas gumijas lentēm

Stresu reoloģiskajos materiālos var samazināt, paaugstinot to temperatūru. Šo efektu izmantosim siltumdzinējā ar pārsteidzošu darbības principu. Lai to saliktu, jums būs nepieciešams: skārda burkas skrūvējams vāciņš, ducis īsu gumijas lentu, liela adata, taisnstūrveida plānas lokšņu metāla gabals un lampa ar ļoti karstu spuldzi. Motora dizains ir parādīts 6. zīm. Lai to saliktu, izgrieziet vidusdaļu no vāka tā, lai iegūtu gredzenu.

Rīsi. 5. Plastilīna un plastilīna trauslo īpašību demonstrēšanas metode

a) lēns sitiens pa bumbu b) lēns sitiens

c) ātrs sitiens pa bumbu, d) ātrā sitiena efekts;

1 - plastilīna bumbiņa, 2 - cieta un masīva plāksne, 3 - āmurs,

v - āmura ātrums

Šī gredzena centrā ievietojam adatu, kas ir ass, un uzliekam elastīgās lentes, lai tās garuma vidū balstītos pret gredzenu un būtu stipri izstieptas. Elastīgās lentes ir jānovieto simetriski uz gredzena, tādējādi tiek iegūts ritenis ar spieķiem, kas veidoti no elastīgajām lentēm. Salieciet lokšņu metāla gabalu krampjveida formā ar izstieptām rokām, ļaujot starp tām novietot iepriekš izveidoto apli un pārklāt pusi no tā virsmas. Konsoles vienā pusē abās tā vertikālajās malās mēs izveidojam izgriezumu, kas ļauj tajā ievietot riteņa asi.

Novietojiet riteņa asi balsta izgriezumā. Ar pirkstiem griežam riteni un pārbaudām, vai tas ir līdzsvarots, t.i. vai tas apstājas jebkurā pozīcijā. Ja tas tā nav, līdzsvarojiet riteni, nedaudz pabīdot vietu, kur gumijas joslas saskaras ar gredzenu. Novietojiet kronšteinu uz galda un ar ļoti karstu lampu apgaismojiet apļa daļu, kas izvirzīta no tā arkām. Izrādās, pēc kāda laika ritenis sāk griezties.

Šīs kustības iemesls ir pastāvīga riteņa masas centra stāvokļa maiņa efekta, ko sauc par reologiem, rezultātā. termiskā stresa relaksācija.

Šīs relaksācijas pamatā ir fakts, ka ļoti nospriegots elastīgais materiāls karsējot saraujas. Mūsu dzinējā šis materiāls ir riteņu sānu gumijas lentes, kas izvirzītas no kronšteina kronšteina un silda ar spuldzi. Rezultātā riteņa masas centrs tiek nobīdīts uz to pusi, ko sedz atbalsta sviras. Riteņa griešanās rezultātā apsildāmās gumijas lentes nokrīt starp balsta svirām un atdziest, jo tur tās ir paslēptas no spuldzes. Atdzesētas dzēšgumijas atkal pagarinās. Aprakstīto procesu secība nodrošina nepārtrauktu riteņa griešanos.

Ne tikai iespaidīgi eksperimenti

Rīsi. 6. No farmaceitiskām gumijas lentēm izgatavota siltumdzinēja konstrukcija

a) skats no sāniem

b) griezums pa aksiālo plakni; 1 - gredzens, 2 - adata, 3 - farmaceitiskā dzēšgumija,

4 - kronšteins, 5 - izgriezums kronšteinā, 6 - spuldze

Tagad reoloģija ir strauji augoša interešu joma gan fiziķiem, gan tehnisko zinātņu jomas speciālistiem. Reoloģiskās parādības dažās situācijās var nelabvēlīgi ietekmēt vidi, kurā tās rodas, un tās jāņem vērā, piemēram, projektējot lielas tērauda konstrukcijas, kas laika gaitā deformējas. Tie rodas materiāla izkliedēšanas rezultātā, iedarbojoties uz slodzēm un tā paša svaru.

Precīzi vēsturisko baznīcu stāvo jumtu un vitrāžu vara lokšņu biezuma mērījumi liecina, ka šie elementi apakšā ir biezāki nekā augšpusē. Tāds ir rezultāts strāvagan varš, gan stikls zem sava svara vairākus simtus gadu. Reoloģiskās parādības tiek izmantotas arī daudzās modernās un ekonomiskās ražošanas tehnoloģijās. Piemērs ir plastmasas pārstrāde. Lielākā daļa no šiem materiāliem izgatavoto izstrādājumu pašlaik tiek ražoti ar ekstrūzijas, vilkšanas un pūšanas formēšanas metodi. Tas tiek darīts pēc materiāla karsēšanas un spiediena izdarīšanas uz to ar atbilstoši izvēlētu ātrumu. Tādējādi, cita starpā, folijas, stieņi, caurules, šķiedras, kā arī sarežģītu formu rotaļlietas un mašīnu daļas. Ļoti svarīgas šo metožu priekšrocības ir zemās izmaksas un bezatkritumi.