Apabila Hukum Hooke tidak lagi mencukupi...

Mengikut undang-undang Hooke yang diketahui dari buku teks sekolah, pemanjangan badan harus berkadar terus dengan tekanan yang dikenakan. Walau bagaimanapun, banyak bahan yang sangat penting dalam teknologi moden dan kehidupan seharian hanya lebih kurang mematuhi undang-undang ini atau berkelakuan berbeza sama sekali. Ahli fizik dan jurutera mengatakan bahawa bahan tersebut mempunyai sifat reologi. Kajian sifat-sifat ini akan menjadi subjek beberapa eksperimen yang menarik.

Rheologi ialah kajian tentang sifat bahan yang tingkah lakunya melangkaui teori keanjalan berdasarkan hukum Hooke yang disebutkan di atas. Tingkah laku ini dikaitkan dengan banyak fenomena menarik. Ini termasuk, khususnya: kelewatan dalam pemulangan bahan kepada keadaan asalnya selepas penurunan voltan, iaitu, histerisis elastik; peningkatan dalam pemanjangan badan pada tekanan berterusan, sebaliknya dipanggil aliran; atau peningkatan berganda dalam rintangan kepada ubah bentuk dan kekerasan badan yang pada mulanya plastik, sehingga penampilan ciri ciri bahan rapuh.

pembaris malas

Satu hujung pembaris plastik 30 cm atau lebih panjang dilekatkan pada rahang ragum supaya pembaris menegak (Rajah 1). Kami menolak hujung atas pembaris dari menegak dengan hanya beberapa milimeter dan melepaskannya. Ambil perhatian bahawa bahagian bebas pembaris berayun beberapa kali di sekeliling kedudukan keseimbangan menegak dan kembali kepada keadaan asalnya (Rajah 1a). Ayunan yang diperhatikan adalah harmoni, kerana pada pesongan kecil magnitud daya kenyal yang bertindak sebagai daya penuntun adalah berkadar terus dengan pesongan hujung pembaris. Tingkah laku pemerintah ini digambarkan oleh teori keanjalan. 

nasi. 1. Kajian histerisis elastik menggunakan pembaris

1 - ambulans,

2 - rahang ragum, A - sisihan hujung pembaris dari menegak

Dalam bahagian kedua eksperimen, kita memesongkan hujung atas pembaris dengan beberapa sentimeter, lepaskannya dan perhatikan kelakuannya (Rajah 1b). Sekarang hujung ini perlahan-lahan kembali ke kedudukan keseimbangan. Ini disebabkan oleh lebihan had keanjalan bahan pembaris. Kesan ini dipanggil histerisis elastik. Ia terdiri daripada pengembalian perlahan badan yang cacat kepada keadaan asalnya. Jika kita mengulangi percubaan terakhir ini dengan mencondongkan hujung atas pembaris dengan lebih banyak lagi, kita akan mendapati bahawa pengembaliannya juga akan lebih perlahan dan mungkin mengambil masa sehingga beberapa minit. Di samping itu, pembaris tidak akan kembali tepat ke kedudukan menegak dan akan kekal bengkok secara kekal. Kesan yang diterangkan dalam bahagian kedua eksperimen hanyalah satu daripada subjek penyelidikan reologi.

Burung atau labah-labah yang kembali

Untuk pengalaman seterusnya, kami akan menggunakan mainan yang murah dan mudah dibeli (kadang-kadang boleh didapati di kiosk). Ia terdiri daripada patung rata dalam bentuk burung atau haiwan lain, seperti labah-labah, disambungkan dengan tali panjang dengan pemegang berbentuk cincin (Rajah 2a). Keseluruhan mainan diperbuat daripada bahan berdaya tahan seperti getah yang sedikit melekit apabila disentuh. Pita boleh diregangkan dengan sangat mudah, meningkatkan panjangnya beberapa kali tanpa mengoyakkannya. Kami menjalankan eksperimen berhampiran permukaan licin, seperti kaca cermin atau dinding perabot. Dengan jari sebelah tangan, pegang pemegang dan buat lambaian, dengan itu melambungkan mainan ke permukaan licin. Anda akan perasan bahawa patung itu melekat pada permukaan dan pita kekal tegang. Kami terus memegang pemegang dengan jari kami selama beberapa puluh saat atau lebih.

nasi. 2. Contoh nyata histerisis elastik, ditunjukkan menggunakan pangkah balik

1 - patung labah-labah, 2 - gelang getah,

3 - pemegang, 4 - tapak tangan, 5 - permukaan

Selepas beberapa lama, kita dapati bahawa patung itu akan tiba-tiba keluar dari permukaan dan, tertarik dengan pita pengecutan haba, akan kembali ke tangan kita dengan cepat. Dalam kes ini, seperti dalam eksperimen sebelumnya, terdapat juga pereputan perlahan voltan, iaitu, histerisis elastik. Daya elastik pita yang diregangkan mengatasi daya lekatan corak ke permukaan, yang melemah dari semasa ke semasa. Akibatnya, angka itu kembali ke tangan. Bahan mainan yang digunakan dalam eksperimen ini dipanggil oleh pakar rheologi viskoelastik. Nama ini dibenarkan oleh fakta bahawa ia mempamerkan kedua-dua sifat melekit - apabila ia melekat pada permukaan licin, dan sifat kenyal - kerana ia terlepas dari permukaan ini dan kembali kepada keadaan asalnya.

lelaki menurun

Foto 1. Patung yang menuruni dinding menegak juga merupakan contoh hebat histerisis elastik.

Percubaan ini juga akan menggunakan mainan yang boleh didapati yang diperbuat daripada bahan viskoelastik (foto 1). Ia dibuat dalam bentuk sosok lelaki atau labah-labah. Kami membaling mainan ini dengan anggota badan yang diletakkan dan terbalik pada permukaan menegak yang rata, sebaik-baiknya pada kaca, cermin atau dinding perabot. Objek yang dilemparkan melekat pada permukaan ini. Selepas beberapa lama, tempoh yang bergantung, antara lain, pada kekasaran permukaan dan kelajuan melontar, bahagian atas mainan itu terlepas. Ini berlaku hasil daripada apa yang telah dibincangkan sebelum ini. histerisis elastik dan tindakan berat rajah, yang menggantikan daya kenyal tali pinggang, yang terdapat dalam eksperimen sebelumnya.

Di bawah pengaruh berat, bahagian mainan yang tertanggal itu membongkok ke bawah dan terputus lebih jauh sehingga bahagian itu sekali lagi menyentuh permukaan menegak. Selepas sentuhan ini, pelekatan angka seterusnya ke permukaan bermula. Akibatnya, angka itu akan dilekatkan semula, tetapi dalam kedudukan kepala ke bawah. Proses-proses yang diterangkan di bawah diulang, dengan angka-angka secara bergilir-gilir merobek kaki dan kemudian kepala. Kesannya ialah angka itu turun di sepanjang permukaan menegak, membuat lambungan yang menakjubkan.

Plastisin cecair

nasi. 3. Ujian aliran plastisin

a) situasi awal, b) situasi akhir;

1 - tapak tangan, 2 - bahagian atas plastisin,

3 - penunjuk, 4 - penyempitan, 5 - sekeping plastisin yang koyak

Dalam eksperimen ini dan beberapa eksperimen seterusnya, kami akan menggunakan plastisin yang terdapat di kedai mainan, yang dikenali sebagai "tanah liat ajaib" atau "tricolin". Kami menguli sekeping plastisin dalam bentuk yang serupa dengan dumbbell, kira-kira 4 cm panjang dan dengan diameter bahagian yang lebih tebal dalam 1-2 cm dan diameter penyempitan kira-kira 5 mm (Rajah 3a). Kami mencengkam acuan dengan jari kami di hujung atas bahagian yang lebih tebal dan menahannya tidak bergerak atau menggantungnya secara menegak di sebelah penanda yang dipasang menunjukkan lokasi hujung bawah bahagian yang lebih tebal.

Memerhatikan kedudukan hujung bawah plastisin, kami perhatikan bahawa ia perlahan-lahan bergerak ke bawah. Dalam kes ini, bahagian tengah plastisin dimampatkan. Proses ini dipanggil aliran atau rayapan bahan dan terdiri daripada meningkatkan pemanjangannya di bawah tindakan tegasan berterusan. Dalam kes kami, tekanan ini disebabkan oleh berat bahagian bawah dumbbell plastisin (Rajah 3b). Dari sudut mikroskopik semasa ini adalah hasil daripada perubahan dalam struktur bahan yang dikenakan beban untuk masa yang cukup lama. Pada satu ketika, kekuatan bahagian yang sempit adalah sangat kecil sehingga ia pecah di bawah berat bahagian bawah plastisin sahaja. Kadar aliran bergantung kepada banyak faktor, termasuk jenis bahan, jumlah dan kaedah mengenakan tegasan kepadanya.

Plastisin yang kami gunakan sangat sensitif untuk mengalir, dan kami boleh melihatnya dengan mata kasar dalam beberapa puluh saat sahaja. Perlu ditambah bahawa tanah liat ajaib telah dicipta secara tidak sengaja di Amerika Syarikat, semasa Perang Dunia II, apabila percubaan dibuat untuk menghasilkan bahan sintetik yang sesuai untuk pengeluaran tayar untuk kenderaan tentera. Hasil daripada pempolimeran yang tidak lengkap, bahan diperoleh di mana sebilangan molekul tertentu tidak terikat, dan ikatan antara molekul lain dengan mudah boleh mengubah kedudukannya di bawah pengaruh faktor luaran. Pautan "melantun" ini menyumbang kepada sifat menakjubkan tanah liat yang melantun.

bola sesat

nasi. 4. Tetapkan untuk menguji plastisin untuk penyebaran dan kelonggaran tekanan:

a) situasi awal, b) situasi akhir; 1 - bola keluli,

2 - bekas lutsinar, 3 - plastisin, 4 - asas

Sekarang picit plastisin ajaib ke dalam bekas telus kecil, buka di bahagian atas, pastikan tiada gelembung udara di dalamnya (Gamb. 4a). Ketinggian dan diameter kapal hendaklah beberapa sentimeter. Letakkan bola keluli kira-kira 1,5 cm diameter di tengah-tengah permukaan atas plastisin. Kami meninggalkan bekas dengan bola sahaja. Setiap beberapa jam kami memerhatikan kedudukan bola. Perhatikan bahawa ia masuk lebih dalam dan lebih dalam ke dalam plastisin, yang seterusnya, masuk ke ruang di atas permukaan bola.

Selepas masa yang cukup lama, yang bergantung kepada: berat bola, jenis plastisin yang digunakan, saiz bola dan kuali, suhu ambien, kita perhatikan bahawa bola mencapai bahagian bawah kuali. Ruang di atas bola akan diisi sepenuhnya dengan plastisin (Rajah 4b). Eksperimen ini menunjukkan bahawa bahan mengalir dan melegakan tekanan.

Melompat plastisin

Bentukkan sebiji bola doh ajaib dan balingan dengan cepat ke atas permukaan yang keras seperti lantai atau dinding. Kami perasan dengan terkejut bahawa plastisin melantun dari permukaan ini seperti bola getah yang melenting. Tanah liat ajaib adalah badan yang boleh mempamerkan kedua-dua sifat plastik dan elastik. Ia bergantung pada seberapa cepat beban akan bertindak ke atasnya.

Apabila tegasan digunakan perlahan-lahan, seperti dalam kes menguli, ia mempamerkan sifat plastik. Sebaliknya, apabila daya dikenakan dengan cepat, yang berlaku apabila ia berlanggar dengan lantai atau dinding, plastisin mempamerkan sifat kenyal. Tanah liat ajaib boleh dipanggil secara ringkas badan anjal plastik.

Plastisin tegangan

Foto 2. Kesan regangan perlahan tanah liat ajaib (panjang gentian yang diregangkan adalah kira-kira 60 cm)

Kali ini, bentukkan silinder plastisin ajaib dengan diameter kira-kira 1 cm dan panjang beberapa sentimeter. Ambil kedua-dua hujung dengan jari tangan kanan dan kiri anda dan tetapkan penggelek secara mendatar. Kemudian kami perlahan-lahan meregangkan tangan kami ke sisi dalam satu garis lurus, dengan itu menyebabkan silinder meregang ke arah paksi. Kami merasakan bahawa plastisin menawarkan hampir tiada rintangan, dan kami perhatikan bahawa ia menyempit di tengah.

Panjang silinder plastisin boleh ditingkatkan kepada beberapa puluh sentimeter, sehingga benang nipis terbentuk di bahagian tengahnya, yang akan pecah dari masa ke masa (foto 2). Pengalaman ini menunjukkan bahawa dengan memberi tekanan secara perlahan pada badan plastik-anjal, seseorang boleh menyebabkan ubah bentuk yang sangat besar tanpa memusnahkannya.

plastisin keras

Kami menyediakan silinder plastisin ajaib dengan cara yang sama seperti dalam percubaan sebelumnya dan membalut jari kami di hujungnya dengan cara yang sama. Setelah menumpukan perhatian kami, kami melebarkan tangan kami ke sisi secepat mungkin, ingin meregangkan silinder dengan tajam. Ternyata dalam kes ini kita merasakan rintangan plastisin yang sangat tinggi, dan silinder, secara mengejutkan, tidak memanjang sama sekali, tetapi pecah separuh panjangnya, seolah-olah dipotong dengan pisau (foto 3). Eksperimen ini juga menunjukkan bahawa sifat ubah bentuk jasad anjal-plastik bergantung kepada kadar penggunaan tegasan.

Plastisin adalah rapuh seperti kaca

Foto 3. Hasil regangan plastisin ajaib yang cepat - anda dapat melihat pemanjangan dan tepi yang tajam berkali-kali, menyerupai retakan pada bahan rapuh

Eksperimen ini menunjukkan dengan lebih jelas lagi bagaimana kadar tegasan mempengaruhi sifat-sifat jasad anjal-plastik. Bentuk bola dengan diameter kira-kira 1,5 cm dari tanah liat ajaib dan letakkan di atas tapak yang kukuh dan besar, seperti plat keluli berat, andas atau lantai konkrit. Pukul bola perlahan-lahan dengan tukul seberat sekurang-kurangnya 0,5 kg (Gamb. 5a). Ternyata dalam situasi ini bola berkelakuan seperti badan plastik dan meleper selepas tukul jatuh ke atasnya (Rajah 5b).

Bentukkan plastisin yang telah dileperkan menjadi bola semula dan letakkan di atas pinggan seperti sebelumnya. Sekali lagi kami memukul bola dengan tukul, tetapi kali ini kami cuba melakukannya secepat mungkin (Gamb. 5c). Ternyata bola plastisin dalam kes ini berkelakuan seolah-olah ia diperbuat daripada bahan rapuh, seperti kaca atau porselin, dan apabila hentaman ia berkecai ke semua arah (Rajah 5d).

Mesin terma pada gelang getah farmaseutikal

Tekanan dalam bahan reologi boleh dikurangkan dengan menaikkan suhunya. Kami akan menggunakan kesan ini dalam enjin haba dengan prinsip operasi yang mengejutkan. Untuk memasangnya, anda memerlukan: penutup skru balang timah, sedozen atau lebih gelang getah pendek, jarum besar, kepingan logam lembaran nipis segi empat tepat, dan lampu dengan mentol yang sangat panas. Reka bentuk motor ditunjukkan dalam Rajah 6. Untuk memasangnya, potong bahagian tengah dari penutup supaya cincin diperoleh.

nasi. 5. Kaedah untuk menunjukkan plastisin dan sifat rapuh plastisin

a) pukulan perlahan bola b) pukulan perlahan

c) pukulan pantas pada bola, d) kesan pukulan pantas;

1 - bola plastisin, 2 - plat pepejal dan besar, 3 - tukul,

v - kelajuan tukul

Di tengah-tengah cincin ini kami meletakkan jarum, yang merupakan paksi, dan meletakkan jalur elastik di atasnya supaya di tengah-tengah panjangnya mereka bersandar pada cincin dan diregangkan dengan kuat. Jalur elastik hendaklah diletakkan secara simetri pada cincin, oleh itu, roda dengan jejari yang terbentuk daripada jalur elastik diperolehi. Bengkokkan kepingan logam ke dalam bentuk crampon dengan lengan dihulurkan, membolehkan anda meletakkan bulatan yang dibuat sebelum ini di antara mereka dan menutup separuh permukaannya. Pada satu sisi julur, pada kedua-dua tepi menegaknya, kami membuat potongan yang membolehkan kami meletakkan gandar roda di dalamnya.

Letakkan gandar roda pada potongan sokongan. Kami memutar roda dengan jari kami dan memeriksa sama ada ia seimbang, i.e. adakah ia berhenti di mana-mana kedudukan. Jika ini tidak berlaku, imbangkan roda dengan mengalihkan sedikit tempat di mana gelang getah bertemu dengan cincin. Letakkan pendakap di atas meja dan terangkan bahagian bulatan yang menonjol dari gerbangnya dengan lampu yang sangat panas. Ternyata selepas beberapa ketika roda mula berputar.

Sebab pergerakan ini adalah perubahan berterusan dalam kedudukan pusat jisim roda akibat kesan yang dipanggil rheologists. kelonggaran tekanan haba.

Kelonggaran ini adalah berdasarkan fakta bahawa bahan anjal yang sangat tertekan menguncup apabila dipanaskan. Dalam enjin kami, bahan ini adalah jalur getah sisi roda yang menonjol dari pendakap dan dipanaskan oleh mentol lampu. Akibatnya, pusat jisim roda dialihkan ke sisi yang diliputi oleh lengan sokongan. Hasil daripada putaran roda, gelang getah yang dipanaskan jatuh di antara bahu sokongan dan menyejukkan, kerana di sana ia tersembunyi dari mentol. Pemadam yang disejukkan dipanjangkan lagi. Urutan proses yang diterangkan memastikan putaran berterusan roda.

Bukan sahaja eksperimen yang menakjubkan

nasi. 6. Reka bentuk enjin haba yang diperbuat daripada gelang getah farmaseutikal

a) pandangan sisi

b) keratan oleh satah paksi; 1 - cincin, 2 - jarum, 3 - pemadam farmaseutikal,

4 - kurungan, 5 - potongan dalam kurungan, 6 - mentol

Sekarang reologi adalah bidang yang berkembang pesat yang menarik minat kedua-dua ahli fizik dan pakar dalam bidang sains teknikal. Fenomena reologi dalam sesetengah situasi boleh memberi kesan buruk kepada persekitaran di mana ia berlaku dan mesti diambil kira, sebagai contoh, apabila mereka bentuk struktur keluli besar yang berubah bentuk dari semasa ke semasa. Ia terhasil daripada penyebaran bahan di bawah tindakan beban bertindak dan beratnya sendiri.

Pengukuran tepat ketebalan kepingan tembaga yang meliputi bumbung curam dan tingkap kaca berwarna di gereja bersejarah telah menunjukkan bahawa unsur-unsur ini lebih tebal di bahagian bawah daripada di bahagian atas. Inilah hasilnya semasakedua-dua kuprum dan kaca di bawah beratnya sendiri selama beberapa ratus tahun. Fenomena reologi juga digunakan dalam banyak teknologi pembuatan moden dan ekonomik. Contohnya ialah kitar semula plastik. Kebanyakan produk yang diperbuat daripada bahan ini pada masa ini dihasilkan melalui penyemperitan, lukisan dan pengacuan tiupan. Ini dilakukan selepas memanaskan bahan dan mengenakan tekanan padanya pada kadar yang dipilih dengan sewajarnya. Oleh itu, antara lain, foil, rod, paip, gentian, serta mainan dan bahagian mesin dengan bentuk yang kompleks. Kelebihan yang sangat penting kaedah ini adalah kos rendah dan tidak membazir.