Amikor a Hooke-törvény már nem elég...

Az iskolai tankönyvekből ismert Hooke-törvény szerint a test megnyúlásának egyenesen arányosnak kell lennie az alkalmazott igénybevétellel. Sok olyan anyag azonban, amely a modern technológiában és a mindennapi életben nagy jelentőséggel bír, csak megközelítőleg felel meg ennek a törvénynek, vagy teljesen másképp viselkedik. Fizikusok és mérnökök azt mondják, hogy az ilyen anyagoknak reológiai tulajdonságaik vannak. Ezeknek a tulajdonságoknak a tanulmányozása néhány érdekes kísérlet tárgya lesz.

A reológia azon anyagok tulajdonságainak tanulmányozása, amelyek viselkedése túlmutat a rugalmasság elméletén a fent említett Hooke-törvény alapján. Ez a viselkedés sok érdekes jelenséghez kapcsolódik. Ide tartoznak különösen: az anyag feszültségesés utáni eredeti állapotába való visszatérésének késése, azaz rugalmas hiszterézis; a test megnyúlásának növekedése állandó stressz hatására, más néven áramlás; vagy a kezdetben képlékeny test alakváltozással szembeni ellenállásának és keménységének többszörös növelése a rideg anyagokra jellemző tulajdonságok megjelenéséig.

lusta uralkodó

A 30 cm-es vagy hosszabb műanyag vonalzó egyik végét a satupofákba rögzítjük úgy, hogy a vonalzó függőlegesen álljon (1. ábra). A vonalzó felső végét csak néhány milliméterrel távolítjuk el a függőlegestől és engedjük el. Figyeljük meg, hogy a vonalzó szabad része többször is megfordul a függőleges egyensúlyi helyzet körül, és visszatér eredeti állapotába (1a. ábra). A megfigyelt rezgések harmonikusak, mivel kis elhajlásoknál a vezetőerőként ható rugalmas erő nagysága egyenesen arányos a vonalzó végének elhajlásával. A vonalzónak ezt a viselkedését a rugalmasság elmélete írja le. 

Rizs. 1. Rugalmas hiszterézis vizsgálata vonalzó segítségével

1 – mentőautó,

2 - satupofák, A - a vonalzó végének eltérése a függőlegestől

A kísérlet második részében néhány centiméterrel eltérítjük a vonalzó felső végét, elengedjük, és megfigyeljük a viselkedését (1b. ábra). Most ez a vég lassan visszatér az egyensúlyi helyzetbe. Ennek oka a vonalzó anyagának rugalmassági határának túllépése. Ezt a hatást ún rugalmas hiszterézis. Ez abban áll, hogy a deformált test lassan visszatér eredeti állapotába. Ha megismételjük ezt az utolsó kísérletet úgy, hogy a vonalzó felső végét még jobban megdöntjük, azt tapasztaljuk, hogy a visszatérése is lassabb lesz, és akár több percig is eltarthat. Ezenkívül a vonalzó nem tér vissza pontosan a függőleges helyzetbe, és tartósan hajlított marad. A kísérlet második részében leírt hatások csak egy reológiai kutatási alanyok.

Visszatérő madár vagy pók

A következő élményhez egy olcsó és könnyen megvásárolható játékot használunk (néha még kioszkban is kapható). Egy madár vagy más állat, például pók formájú lapos figurából áll, amelyet gyűrű alakú fogantyúval ellátott hosszú heveder köt össze (2a. ábra). Az egész játék rugalmas, gumiszerű anyagból készült, amely enyhén tapadós tapintású. A szalag nagyon könnyen nyújtható, hosszát többszörösére növelve anélkül, hogy elszakadna. Kísérletet végzünk sima felület, például tükörüveg vagy bútorfal közelében. Egyik keze ujjaival tartsa meg a fogantyút, és hajtson végre egy hullámot, és dobja fel a játékot egy sima felületre. Észre fogja venni, hogy a figura a felülethez tapad, és a szalag feszes marad. Továbbra is tartjuk a fogantyút az ujjainkkal több tíz másodpercig vagy tovább.

Rizs. 2. A rugalmas hiszterézis szemléletes példája, visszatérő kereszttel ábrázolva

1 - pók figura, 2 - gumiszalag,

3 - fogantyú, 4 - tenyér, 5 - felület

Egy idő után észrevesszük, hogy a figura hirtelen leválik a felületről, és egy hőre zsugorodó szalag vonzásával gyorsan visszakerül a kezünkbe. Ebben az esetben is az előző kísérlethez hasonlóan a feszültség lassú csökkenése, azaz rugalmas hiszterézis következik be. A feszített szalag rugalmas erői legyőzik a minta felülethez tapadásának erőit, amelyek idővel gyengülnek. Ennek eredményeként a figura visszatér a kézbe. A kísérletben használt játék anyagát a reológusok nevezik viszkoelasztikus. Ezt az elnevezést az indokolja, hogy ragadós tulajdonságokat - ha sima felületre tapad, és elasztikus tulajdonságokat - egyaránt mutat, amelyeknek köszönhetően ettől a felülettől elszakad és visszaáll eredeti állapotába.

leszálló ember

Fénykép 1. Egy függőleges falról leereszkedő figura is remek példa a rugalmas hiszterézisre.

Ebben a kísérletben egy könnyen elérhető, viszkoelasztikus anyagból készült játékot is használnak (1. kép). Férfi vagy pók figura formájában készül. Ezt a játékot kihelyezett végtagokkal és fejjel lefelé dobjuk egy sík függőleges felületre, lehetőleg üveg-, tükör- vagy bútorfalra. Erre a felületre egy kidobott tárgy tapad. Egy idő után, amelynek időtartama többek között a felület érdességétől és a dobás sebességétől függ, a játék teteje leválik. Ez a korábban megbeszéltek eredményeképpen történik. rugalmas hiszterézis és az ábra súlyának hatása, amely helyettesíti az öv elasztikus erejét, amely az előző kísérletben volt.

Súly hatására a játék leszakadt része lehajlik és tovább törik, amíg az alkatrész ismét hozzá nem ér a függőleges felülethez. Ezen érintés után kezdődik a figura következő ragasztása a felületre. Ennek eredményeként a figura újra ragasztva lesz, de fejjel lefelé. Az alábbiakban leírt folyamatok megismétlődnek, a figurák felváltva letépik a lábakat, majd a fejet. A hatás az, hogy a figura egy függőleges felület mentén ereszkedik le, és látványos csapásokat hajt végre.

Folyékony gyurma

Rizs. 3. Gyurma folyási teszt

a) kiindulási helyzet, b) végső helyzet;

1 - tenyér, 2 - gyurma felső része,

3 - indikátor, 4 - szűkítés, 5 - szakadt gyurmadarab

Ebben és több későbbi kísérletben a játékboltokban kapható gyurmát fogjuk használni, amely "varázsagyag" vagy "tricolin" néven ismert. Súlyzóhoz hasonló formájú, kb. 4 cm hosszú, 1-2 cm-en belüli vastagabb részek átmérőjű, kb. 5 mm szűkülő átmérőjű gyurmát összegyúrunk (3a. ábra). Ujjainkkal megragadjuk a díszlécet a vastagabb rész felső végénél és mozdulatlanul tartjuk, vagy függőlegesen akasztjuk a beépített marker mellé, jelezve a vastagabb rész alsó végének helyét.

A gyurma alsó végének helyzetét figyelve észrevesszük, hogy lassan lefelé halad. Ebben az esetben a gyurma középső részét összenyomják. Ezt a folyamatot az anyag áramlásának vagy kúszásának nevezik, és az állandó feszültség hatására növeli a nyúlását. Esetünkben ezt a feszültséget a gyurma súlyzó alsó részének súlya okozza (3b. ábra). Mikroszkópikus szempontból jelenlegi ez a kellően hosszú ideig tartó terhelésnek kitett anyag szerkezetében bekövetkező változás eredménye. Egy ponton a szűkített rész szilárdsága olyan kicsi, hogy egyedül a gyurma alsó részének súlya alatt eltörik. Az áramlási sebesség számos tényezőtől függ, beleértve az anyag típusát, a rá gyakorolt ​​feszültség mértékét és módját.

Az általunk használt gyurma rendkívül érzékeny az áramlásra, szabad szemmel néhány tíz másodperc alatt láthatjuk. Hozzá kell tenni, hogy a mágikus agyagot véletlenül találták fel az Egyesült Államokban, a második világháború idején, amikor megpróbáltak szintetikus anyagot előállítani, amely alkalmas katonai járművek gumiabroncsainak gyártására. A nem teljes polimerizáció eredményeként olyan anyagot kaptak, amelyben bizonyos számú molekula kötetlen volt, és a más molekulák közötti kötések külső tényezők hatására könnyen megváltoztathatták helyzetüket. Ezek a "pattogó" linkek hozzájárulnak a pattogó agyag csodálatos tulajdonságaihoz.

kóbor labda

Rizs. 4. Készlet gyurma teszteléséhez, szétterítéshez és stresszoldáshoz:

a) kiindulási helyzet, b) végső helyzet; 1 - acélgolyó,

2 - átlátszó edény, 3 - gyurma, 4 - alap

Most nyomd bele a varázsgyurmát egy kis átlátszó edénybe, nyisd ki a tetején, ügyelve arra, hogy ne legyenek benne légbuborékok (4a. ábra). Az edény magasságának és átmérőjének több centiméternek kell lennie. A gyurma felső felületének közepére helyezzünk egy kb 1,5 cm átmérőjű acélgolyót.Az edényt a labdával magára hagyjuk. Néhány óránként megfigyeljük a labda helyzetét. Figyeljük meg, hogy egyre mélyebbre kerül a gyurmába, ami viszont a labda felszíne feletti térbe kerül.

Kellően hosszú idő elteltével, ami függ: a labda súlyától, a felhasznált gyurma típusától, a labda és a serpenyő méretétől, a környezeti hőmérséklettől, észrevesszük, hogy a labda eléri a serpenyő alját. A labda feletti teret teljesen ki kell tölteni gyurmával (4b. ábra). Ez a kísérlet azt mutatja, hogy az anyag áramlik és levezetni a stresszt.

Ugró gyurma

Formázz bűvös játéktésztából labdát, és gyorsan dobd egy kemény felületre, például a padlóra vagy a falra. Meglepődve vesszük észre, hogy a gyurma ezekről a felületekről pattogó gumilabdaként lepattan. A mágikus agyag olyan test, amely képlékeny és rugalmas tulajdonságokkal is rendelkezik. Attól függ, milyen gyorsan hat rá a terhelés.

Ha a feszültségeket lassan fejtik ki, mint például a dagasztásnál, plasztikus tulajdonságokat mutat. Másrészt, amikor az erőt gyorsan alkalmazzák, ami akkor fordul elő, amikor a padlóval vagy fallal ütközik, a gyurma rugalmas tulajdonságokat mutat. A mágikus agyagot röviden plasztikus-elasztikus testnek nevezhetjük.

Szakító gyurma

2. fotó. A varázsagyag lassú nyújtásának hatása (a kifeszített szál hossza kb. 60 cm)

Ezúttal körülbelül 1 cm átmérőjű és néhány centiméter hosszú mágikus gyurmahengert formázzunk. Fogja meg mindkét végét jobb és bal keze ujjaival, és állítsa vízszintesen a görgőt. Ezután lassan egy egyenes vonalban széttárjuk a karjainkat oldalra, ezáltal a henger axiális irányban megnyúlik. Érezzük, hogy a gyurma szinte semmilyen ellenállást nem mutat, és észrevesszük, hogy a közepén szűkül.

A gyurmahenger hossza több tíz centiméterre növelhető, amíg a középső részén vékony szál nem képződik, amely idővel elszakad (2. kép). Ez a tapasztalat azt mutatja, hogy egy műanyag-elasztikus test lassan feszültség alá helyezésével nagyon nagy deformációt lehet előidézni anélkül, hogy tönkretennénk.

kemény gyurma

A varázsgyurma hengert az előző kísérlethez hasonlóan elkészítjük, és ujjainkat ugyanúgy körbetekerjük a végei körül. Figyelmünk összpontosítása után a lehető leggyorsabban oldalra tártuk a karjainkat, élesen meg akarva nyújtani a hengert. Kiderült, hogy ebben az esetben a gyurma nagyon nagy ellenállását érezzük, és a henger meglepő módon egyáltalán nem nyúlik meg, hanem a felére törik, mintha késsel vágták volna (3. kép). Ez a kísérlet is azt mutatja, hogy a képlékeny-rugalmas test deformációjának jellege függ a feszültség alkalmazásának sebességétől.

A gyurma törékeny, mint az üveg

3. fotó. A mágikus gyurma gyors nyújtásának eredménye - sokszor kisebb megnyúlás és éles szél látható, ami egy törékeny anyag repedésére emlékeztet

Ez a kísérlet még világosabban megmutatja, hogy a feszültség mértéke hogyan befolyásolja a műanyag-elasztikus test tulajdonságait. Formázz körülbelül 1,5 cm átmérőjű labdát varázsagyagból, és helyezd szilárd, masszív alapra, például nehéz acéllemezre, üllőre vagy betonpadlóra. Lassan üsd meg a labdát egy legalább 0,5 kg súlyú kalapáccsal (5a. ábra). Kiderült, hogy ebben a helyzetben a labda úgy viselkedik, mint egy műanyag test, és egy kalapács ráesése után ellaposodik (5b. ábra).

Az ellapított gyurmából ismét golyót formálunk, és az előzőek szerint helyezzük a tányérra. Ismét kalapáccsal ütjük a labdát, de ezúttal igyekszünk a lehető leggyorsabban megtenni (5c. ábra). Kiderült, hogy a gyurmagolyó ebben az esetben úgy viselkedik, mintha törékeny anyagból, például üvegből vagy porcelánból lenne, és ütés hatására minden irányban darabokra törik (5d. ábra).

Termikus gép gyógyszerészeti gumiszalagokon

A reológiai anyagok feszültsége a hőmérséklet emelésével csökkenthető. Ezt a hatást egy meglepő működési elvű hőgépben fogjuk használni. Összeszereléséhez szüksége lesz: egy bádogüveg csavaros kupakra, egy tucatnyi rövid gumiszalagra, egy nagy tűre, egy téglalap alakú vékony fémlemezre és egy nagyon forró izzóval ellátott lámpára. A motor felépítése a 6. ábrán látható. Összeszereléséhez vágja ki a burkolatból a középső részt úgy, hogy egy gyűrűt kapjon.

Rizs. 5. Módszer a gyurma és a gyurma rideg tulajdonságainak demonstrálására

a) lassú labdaütés b) lassú ütés

c) gyors ütés a labdára, d) a gyors ütés hatása;

1 - gyurmagolyó, 2 - tömör és masszív lemez, 3 - kalapács,

v - kalapács sebessége

Ennek a gyűrűnek a közepébe egy tűt teszünk, ami a tengely, és gumiszalagokat teszünk rá úgy, hogy hossza közepén a gyűrűhöz támaszkodva erősen megfeszüljenek. A gumiszalagokat szimmetrikusan kell elhelyezni a gyűrűn, így rugalmas szalagokból kialakított küllős kereket kapunk. Nyújtott karokkal hajlíts görcsös formára egy darab fémlemezt úgy, hogy az előzőleg elkészített kört közéjük helyezd és felületének felét lefedve. A konzol egyik oldalán, mindkét függőleges élén egy kivágást készítünk, amiben a keréktengelyt elhelyezhetjük.

Helyezze a keréktengelyt a tartó kivágásába. Ujjainkkal forgatjuk a kereket és ellenőrizzük, hogy kiegyensúlyozott-e, pl. megáll-e bármilyen helyzetben. Ha nem ez a helyzet, egyensúlyozza ki a kereket úgy, hogy kissé elmozdítja azt a helyet, ahol a gumiszalagok találkoznak a gyűrűvel. Helyezze a konzolt az asztalra, és egy nagyon forró lámpával világítsa meg a kör íveiből kiálló részét. Kiderül, hogy egy idő után a kerék forogni kezd.

Ennek a mozgásnak az oka a kerék tömegközéppontjának állandó változása a reológusoknak nevezett hatás következtében. termikus stressz relaxáció.

Ez az ellazulás azon a tényen alapszik, hogy a nagy igénybevételnek kitett rugalmas anyag összehúzódik melegítéskor. A mi motorunkban ez az anyag a tartókonzolból kiálló kerékoldali gumiszalagok, melyeket egy izzó fűt. Ennek eredményeként a kerék tömegközéppontja a tartókarok által lefedett oldalra tolódik el. A kerék forgása következtében a felmelegedett gumiszalagok a támasztó vállai közé esnek és lehűlnek, mivel ott el vannak rejtve az izzó elől. A lehűtött radírok ismét meghosszabbodnak. A leírt folyamatok sorrendje biztosítja a kerék folyamatos forgását.

Nemcsak látványos kísérletek

Rizs. 6. Gyógyszeripari gumiszalagból készült hőgép tervezése

a) oldalnézet

b) tengelyirányú metszet; 1 - gyűrű, 2 - tű, 3 - gyógyszerészeti radír,

4 - konzol, 5 - kivágás a konzolban, 6 - izzó

Most reológia gyorsan fejlődő érdeklődési terület mind a fizikusok, mind a műszaki tudományok szakemberei számára. A reológiai jelenségek bizonyos helyzetekben kedvezőtlenül befolyásolhatják azt a környezetet, amelyben előfordulnak, és ezeket figyelembe kell venni például nagyméretű acélszerkezetek tervezésekor, amelyek idővel deformálódnak. Ezek az anyag szétterülése következtében keletkeznek ható terhelések és saját súlya hatására.

A történelmi templomok meredek tetőit és ólomüveg ablakait fedő rézlemezek vastagságának pontos mérései kimutatták, hogy ezek az elemek alul vastagabbak, mint felül. Ez az eredmény jelenlegia réz és az üveg is saját súlyuk alatt több száz évig. A reológiai jelenségeket számos modern és gazdaságos gyártási technológia is felhasználja. Ilyen például a műanyagok újrahasznosítása. Az ezekből az anyagokból készült termékek többségét jelenleg extrudálással, húzással és fúvással állítják elő. Ez az anyag felmelegítése és megfelelően megválasztott nyomás alkalmazása után történik. Így többek között fóliákat, rudakat, csöveket, szálakat, valamint összetett formájú játékokat, gépalkatrészeket. Ezeknek a módszereknek nagyon fontos előnye az alacsony költség és a hulladékmentesség.