Þegar lögmál Hooke dugar ekki lengur...

Samkvæmt lögum Hooke, sem þekkt er úr skólabókum, ætti lenging líkama að vera í réttu hlutfalli við beitt álag. Hins vegar eru mörg efni sem skipta miklu máli í nútíma tækni og daglegu lífi aðeins um það bil í samræmi við þessi lög eða hegða sér allt öðruvísi. Eðlisfræðingar og verkfræðingar segja að slík efni hafi rheological eiginleika. Rannsóknir á þessum eiginleikum verða viðfangsefni nokkrar áhugaverðar tilraunir.

Rheology er rannsókn á eiginleikum efna sem fara út fyrir teygjanleikakenninguna sem byggist á áðurnefndu lögmáli Hooke. Þessi hegðun tengist mörgum áhugaverðum fyrirbærum. Þetta felur einkum í sér: seinkun á því að efnið fer aftur í upprunalegt ástand eftir spennufall, þ.e. teygjanlegt hysteresis; aukin líkamslenging við stöðuga streitu, annars kallað flæði; eða margfalda aukningu á mótstöðu gegn aflögun og hörku í upphaflega plasthluta, allt að útliti eiginleika sem einkenna brothætt efni.

latur stjórnandi

Einn endi á plaststokk sem er 30 cm eða lengri er festur í skrúfukjálkana þannig að reglustikan sé lóðrétt (Mynd 1). Við höfnum efri enda reglustikunnar frá lóðréttu um aðeins nokkra millimetra og sleppum því. Athugið að lausi hluti reglustikunnar sveiflast nokkrum sinnum í kringum lóðrétta jafnvægisstöðu og fer aftur í upprunalegt ástand (mynd 1a). Sveiflurnar sem sjást eru samhljóða, þar sem við litlar sveigjur er stærð teygjanlegs krafts sem virkar sem stýrikraftur í réttu hlutfalli við sveigju enda reglustikunnar. Þessari hegðun höfðingjans er lýst með teygjanleikakenningunni. 

Hrísgrjón. 1. Rannsókn á teygjanlegri hysteresis með reglustiku

1 - höfðingja,

2 - skrúfukjálkar, A - frávik enda reglustikunnar frá lóðréttu

Í seinni hluta tilraunarinnar beygjum við efri enda reglustikunnar um nokkra sentímetra, sleppum henni og fylgjumst með hegðun hennar (mynd 1b). Nú fer þessi endir hægt og rólega aftur í jafnvægisstöðu. Þetta er vegna þess að teygjanlegt mörk reglustikunnar er of mikið. Þessi áhrif kallast teygjanlegt hysteresis. Það felst í því að vansköpuðu líkaminn kemur hægt aftur í upprunalegt ástand. Ef við endurtökum þessa síðustu tilraun með því að halla efri enda reglustikunnar enn meira, munum við komast að því að endurkoma hennar verður líka hægari og getur tekið allt að nokkrar mínútur. Að auki mun reglustikan ekki fara nákvæmlega aftur í lóðrétta stöðu og verður áfram varanlega boginn. Áhrifin sem lýst er í seinni hluta tilraunarinnar eru aðeins ein af þeim gigtarrannsóknagreinar.

Endurkominn fugl eða könguló

Fyrir næstu upplifun munum við nota ódýrt og auðvelt að kaupa leikfang (stundum jafnvel fáanlegt í söluturnum). Hún samanstendur af flatri fígúru í formi fugls eða annars dýrs, eins og kóngulóar, tengdur með langri ól með hringlaga handfangi (mynd 2a). Allt leikfangið er gert úr fjaðrandi, gúmmílíku efni sem er örlítið klístrað viðkomu. Hægt er að teygja límbandið mjög auðveldlega, auka lengd þess nokkrum sinnum án þess að rífa það. Við gerum tilraun nálægt sléttu yfirborði, eins og spegilgleri eða húsgagnavegg. Haltu í handfangið með fingrum annarrar handar og veifaðu og kastaðu þar með leikfanginu á slétt yfirborð. Þú munt taka eftir því að fígúran festist við yfirborðið og límbandið helst stíft. Við höldum áfram að halda handfanginu með fingrunum í nokkra tugi sekúndna eða meira.

Hrísgrjón. 2. Skýrt dæmi um teygjanlegt hysteresis, sýnt með því að nota afturkross

1 - köngulóarmynd, 2 - gúmmíband,

3 - handfang, 4 - lófa, 5 - yfirborð

Eftir nokkurn tíma tökum við eftir því að fígúran mun skyndilega losna af yfirborðinu og dregin að sér af varmalímbandi mun hún fljótt fara aftur í hönd okkar. Í þessu tilviki, eins og í fyrri tilrauninni, er einnig hægt rýrnun spennu, þ.e. teygjanlegt hysteresis. Teygjanlegir kraftar teygðu borðsins vinna bug á viðloðun mynstrsins við yfirborðið, sem veikjast með tímanum. Fyrir vikið fer myndin aftur í höndina. Efni leikfangsins sem notað er í þessari tilraun er kallað af gigtarfræðingum seigjateygjanlegt. Þetta nafn er réttlætt með því að það sýnir bæði klístraða eiginleika - þegar það festist við slétt yfirborð, og teygjanlega eiginleika - vegna þess að það brotnar frá þessu yfirborði og fer aftur í upprunalegt ástand.

lækkandi maður

Mynd 1. Myndamynd sem fer niður lóðréttan vegg er líka frábært dæmi um teygjanlegt hysteresis.

Þessi tilraun mun einnig nota leikfang sem er aðgengilegt úr seigjuteygjanlegu efni (mynd 1). Það er gert í formi mynd af manni eða könguló. Við hendum þessu leikfangi með útlimum og snúum á hvolf á sléttan lóðréttan flöt, helst á gler, spegil eða húsgagnavegg. Hlutur sem kastað er festist við þetta yfirborð. Eftir nokkurn tíma, en lengd þess fer meðal annars eftir hrjúfleika yfirborðsins og hraða kastsins, losnar toppurinn af leikfanginu. Þetta gerist í framhaldi af því sem var rætt áðan. teygjanlegt hysteresis og virkni þyngdar myndarinnar, sem kemur í stað teygjanleika beltsins, sem var til staðar í fyrri tilrauninni.

Undir áhrifum þyngdar beygist losi hluti leikfangsins niður og brotnar frekar af þar til hluturinn snertir aftur lóðrétta flötinn. Eftir þessa snertingu hefst næsta líming myndarinnar við yfirborðið. Fyrir vikið verður myndin límd aftur, en í höfuð niður stöðu. Ferlið sem lýst er hér að neðan eru endurtekin, þar sem fígúrurnar rífa til skiptis fæturna og síðan höfuðið. Áhrifin eru að myndin lækkar meðfram lóðréttu yfirborði og gerir stórkostlegar veltur.

Vökvi plastlína

Hrísgrjón. 3. Plasticine flæðipróf

a) upphafsástand, b) lokaástand;

1 - lófa, 2 - efri hluti af plasticine,

3 - vísir, 4 - þrenging, 5 - rifið stykki af plasticine

Í þessari og nokkrum síðari tilraunum munum við nota plastlínuna sem fæst í leikfangabúðum, þekkt sem „töfraleir“ eða „tríkólín“. Við hnoðum stykki af plasticine í svipaðri lögun og handlóð, um 4 cm að lengd og með þvermál þykkari hluta innan 1-2 cm og þvermál sem þrengist um 5 mm (Mynd 3a). Við grípum mótið með fingrunum í efri enda þykkari hlutans og höldum því hreyfingarlausu eða hengjum það lóðrétt við hliðina á uppsettu merkinu sem gefur til kynna staðsetningu neðri enda þykkari hlutans.

Þegar við fylgjumst með staðsetningu neðri enda plastlínunnar, tökum við eftir því að það færist hægt niður. Í þessu tilviki er miðhluti plastlínunnar þjappað saman. Þetta ferli er kallað flæði eða skrið efnisins og felst í því að auka lengingu þess undir áhrifum stöðugrar streitu. Í okkar tilviki er þetta streita af völdum þyngdar neðri hluta plasticine dumbbell (Mynd 3b). Frá smásjá sjónarhorni núverandi þetta er afleiðing af breytingu á uppbyggingu efnisins sem verður fyrir álagi í nægilega langan tíma. Á einum tímapunkti er styrkur þrengda hlutans svo lítill að hann brotnar undir þyngd neðri hluta plastlínunnar eingöngu. Rennslishraði fer eftir mörgum þáttum, þar á meðal tegund efnis, magni og aðferð til að beita streitu á það.

Plastínan sem við notum er mjög viðkvæm fyrir flæði og við sjáum hana með berum augum á örfáum tugum sekúndna. Rétt er að bæta því við að galdraleir var fundinn upp fyrir slysni í Bandaríkjunum, í seinni heimsstyrjöldinni, þegar reynt var að framleiða gerviefni sem hentaði til framleiðslu á dekkjum fyrir herbíla. Við ófullkomna fjölliðun fékkst efni þar sem ákveðinn fjöldi sameinda var óbundinn og tengsl milli annarra sameinda gætu auðveldlega breytt stöðu sinni undir áhrifum utanaðkomandi þátta. Þessir „skoppandi“ hlekkir stuðla að ótrúlegum eiginleikum skoppandi leir.

villubolti

Hrísgrjón. 4. Sett til að prófa plasticine til að dreifa og slaka á álagi:

a) upphafsástand, b) lokaástand; 1 - stálkúla,

2 - gagnsæ ílát, 3 - plasticine, 4 - grunnur

Kreistu nú töfraplastínuna í lítið gagnsætt ílát, opið að ofan, og gætið þess að engar loftbólur séu í því (mynd 4a). Hæð og þvermál skipsins ætti að vera nokkrir sentímetrar. Settu stálkúlu sem er um 1,5 cm í þvermál í miðju efri yfirborðs plastlínunnar. Við skiljum kerinu eftir með kúluna í friði. Á nokkurra klukkustunda fresti fylgjumst við með stöðu boltans. Athugaðu að það fer dýpra og dýpra inn í plastlínuna, sem aftur fer inn í rýmið fyrir ofan yfirborð boltans.

Eftir nægilega langan tíma, sem fer eftir: þyngd kúlunnar, gerð plastínu sem notuð er, stærð kúlu og pönnu, umhverfishita, tökum við eftir því að boltinn nær neðst á pönnunni. Rýmið fyrir ofan boltann verður alveg fyllt með plastlínu (mynd 4b). Þessi tilraun sýnir að efnið flæðir og létta streitu.

Hoppandi plastlína

Myndaðu kúlu af töfraleikdeigi og hentu því fljótt á hart yfirborð eins og gólf eða vegg. Við tökum eftir því með undrun að plastlínan skoppar af þessum flötum eins og skoppandi gúmmíkúla. Galdur leir er líkami sem getur sýnt bæði plast og teygjanlegt eiginleika. Það fer eftir því hversu hratt álagið virkar á það.

Þegar álagi er beitt hægt, eins og þegar um hnoð er að ræða, sýnir það plasteiginleika. Á hinn bóginn, með hraðri beitingu krafts, sem á sér stað þegar rekast á gólf eða vegg, sýnir plasticine teygjanlega eiginleika. Töfra leir má í stuttu máli kalla plast-teygjanlegt líkama.

Tensile plasticine

Mynd 2. Áhrif hægrar teygju á töfrakeir (lengd teygðu trefjanna er um 60 cm)

Í þetta skiptið, myndaðu töfra plastlínuhólk sem er um 1 cm í þvermál og nokkra sentímetra langan. Taktu báða endana með fingrum hægri og vinstri handar og stilltu rúlluna lárétt. Síðan dreifum við handleggjunum rólega til hliðanna í einni beinni línu, þannig að strokkurinn teygir sig í ásstefnu. Við finnum að plastlínan veitir nánast enga mótstöðu og við tökum eftir því að hún þrengist í miðjunni.

Lengd plastlínuhólksins er hægt að stækka í nokkra tugi sentímetra, þar til þunnur þráður myndast í miðhluta hans, sem mun brotna með tímanum (mynd 2). Þessi reynsla sýnir að með því að beita hægt og rólega álagi á plastteygjanlegan líkama getur maður valdið mjög mikilli aflögun án þess að eyðileggja hann.

hörð plastlína

Við undirbúum töfraplastínuhólkinn á sama hátt og í fyrri tilraun og vefjum fingrunum um endana hans á sama hátt. Eftir að hafa einbeitt athygli okkar dreifðum við handleggjunum til hliðanna eins fljótt og auðið er og viljum teygja strokkinn skarpt. Það kemur í ljós að í þessu tilfelli finnum við fyrir mjög mikilli viðnám plastíns og strokkurinn, furðu, lengist alls ekki, heldur brotnar um helming, eins og hann væri skorinn með hníf (mynd 3). Þessi tilraun sýnir einnig að eðli aflögunar plastteygjanlegs líkama fer eftir álagshraða.

Plastín er viðkvæmt eins og gler

Mynd 3. Niðurstaðan af hraðri teygju töfraplastefnis - þú getur séð margfalt minni lengingu og skarpa brún, sem líkist sprungu í viðkvæmu efni

Þessi tilraun sýnir enn betur hvernig streituhraði hefur áhrif á eiginleika plastteygjanlegs líkama. Myndaðu kúlu með um það bil 1,5 cm í þvermál úr töfraleiri og settu hana á traustan, gegnheilan grunn, eins og þunga stálplötu, steypa eða steypt gólf. Sláðu boltann hægt með hamri sem vegur að minnsta kosti 0,5 kg (mynd 5a). Í ljós kemur að í þessum aðstæðum hegðar boltinn sér eins og plastbolur og flatist út eftir að hamar dettur á hann (mynd 5b).

Mótið út flata plastlínuna aftur í kúlu og setjið á diskinn eins og áður. Aftur sláum við boltanum með hamri en í þetta skiptið reynum við að gera það eins fljótt og hægt er (Mynd 5c). Í ljós kemur að plastlínukúlan í þessu tilfelli hagar sér eins og hún væri úr viðkvæmu efni, eins og gleri eða postulíni, og við högg brotnar hún í sundur í allar áttir (mynd 5d).

Hitavél á lyfjagúmmíböndum

Hægt er að draga úr streitu í gigtarefnum með því að hækka hitastig þeirra. Við munum nota þessi áhrif í hitavél með óvæntri vinnureglu. Til að setja það saman þarftu: skrúfloka úr tini krukku, tugi eða svo stuttar gúmmíbönd, stóra nál, ferhyrnt stykki af þunnt málmplötu og lampa með mjög heitri peru. Hönnun mótorsins er sýnd á mynd 6. Til að setja hann saman skal skera út miðhlutann úr hlífinni þannig að hringur fáist.

Hrísgrjón. 5. Aðferð til að sýna fram á plasticine og brothætta eiginleika plasticine

a) hægt að slá boltann b) hægt að slá boltann

c) snögg högg á boltann, d) áhrif skyndihöggs;

1 - plasticine kúla, 2 - solid og gegnheill diskur, 3 - hamar,

v - hamarhraði

Í miðju þessa hrings setjum við nál, sem er ásinn, og setjum teygjubönd á hana þannig að í miðri lengd hans hvíli þau á hringnum og teygist mjög. Teygjuböndin ættu að vera samhverft á hringinn, þannig fæst hjól með geimverum sem eru myndaðir úr teygjuböndum. Beygðu málmstykki í krampaform með handleggina útrétta, sem gerir þér kleift að setja áður gerðu hringinn á milli þeirra og hylja helming yfirborðsins. Á annarri hlið burðarbúnaðarins, á báðum lóðréttum brúnum þess, gerum við útskurð sem gerir okkur kleift að setja hjólaöxulinn í hann.

Settu hjólaöxulinn í skurðinn á stuðningnum. Við snúum hjólinu með fingrunum og athugum hvort það sé í jafnvægi, þ.e. stoppar það í hvaða stöðu sem er. Ef þetta er ekki raunin skaltu halda jafnvægi á hjólinu með því að færa aðeins staðinn þar sem gúmmíböndin mæta hringnum. Settu festinguna á borðið og lýstu upp hluta hringsins sem stendur út úr bogunum með mjög heitum lampa. Það kemur í ljós að eftir smá stund fer hjólið að snúast.

Ástæðan fyrir þessari hreyfingu er stöðug breyting á stöðu massamiðju hjólsins vegna áhrifa sem kallast gigtarfræðingar. varma streitu slökun.

Þessi slökun byggir á því að teygjanlegt efni sem er mikið álagað dregst saman við upphitun. Í vélinni okkar er þetta efni gúmmíbönd á hjólum sem standa út úr festingunni og hituð með ljósaperu. Fyrir vikið færist massamiðja hjólsins til hliðar sem stuðningsarmarnir ná yfir. Sem afleiðing af snúningi hjólsins falla hituðu gúmmíböndin á milli axla stuðningsins og kólna þar sem þau eru falin fyrir perunni. Kæld strokleður lengjast aftur. Röð lýstra ferla tryggir stöðugan snúning hjólsins.

Ekki bara stórkostlegar tilraunir

Hrísgrjón. 6. Hönnun hitavélar úr lyfjagúmmíböndum

a) hliðarsýn

b) skurður eftir axial plan; 1 - hringur, 2 - nál, 3 - lyfjastrokleður,

4 - festing, 5 - útskurður í festingunni, 6 - pera

Nú gigtarfræði er ört vaxandi áhugasvið fyrir bæði eðlisfræðinga og sérfræðinga á sviði tæknivísinda. Gigtarfyrirbæri geta í sumum aðstæðum haft slæm áhrif á umhverfið sem þau eiga sér stað í og ​​þarf að taka tillit til þeirra, til dæmis við hönnun á stórum stálvirkjum sem aflagast með tímanum. Þær stafa af útbreiðslu efnisins undir áhrifum verkandi álags og eigin þyngdar.

Nákvæmar mælingar á þykkt koparplatna sem þekja brött þök og glerglugga í sögulegum kirkjum hafa sýnt að þessir þættir eru þykkari neðst en efst. Þetta er niðurstaðan núverandibæði kopar og gler undir eigin þyngd í nokkur hundruð ár. Ræfræðileg fyrirbæri eru einnig notuð í mörgum nútímalegum og hagkvæmum framleiðslutækni. Sem dæmi má nefna endurvinnslu plasts. Flestar vörur úr þessum efnum eru nú framleiddar með útpressun, teikningu og blástursmótun. Þetta er gert eftir að efnið hefur verið hitað og beitt þrýstingi á það á viðeigandi völdum hraða. Þannig meðal annars þynnur, stangir, rör, trefjar, svo og leikföng og vélahluti með flókin lögun. Mjög mikilvægir kostir þessara aðferða eru lítill kostnaður og ekki sóun.