Когато законът на Хук вече не е достатъчен...

Според закона на Хук, известен от училищните учебници, удължаването на тялото трябва да е право пропорционално на приложеното напрежение. Въпреки това, много материали, които са от голямо значение в съвременните технологии и ежедневието, само приблизително отговарят на този закон или се държат напълно различно. Физици и инженери казват, че такива материали имат реологични свойства. Изучаването на тези свойства ще бъде предмет на някои интересни експерименти.

Реологията е изследване на свойствата на материалите, чието поведение надхвърля теорията за еластичността, базирана на гореспоменатия закон на Хук. Това поведение е свързано с много интересни явления. Те включват по-специално: забавянето на връщането на материала в първоначалното му състояние след спад на напрежението, т.е. еластичен хистерезис; увеличаване на удължаването на тялото при постоянно напрежение, иначе наречено поток; или многократно увеличаване на устойчивостта на деформация и твърдостта на първоначално пластично тяло, до появата на свойства, характерни за крехките материали.

мързелив владетел

Единият край на пластмасова линийка с дължина 30 см или повече се фиксира в челюстите на менгемето, така че линийката да е вертикална (фиг. 1). Отхвърляме горния край на линийката от вертикалата само с няколко милиметра и го освобождаваме. Имайте предвид, че свободната част на линийката осцилира няколко пъти около вертикалното равновесно положение и се връща в първоначалното си състояние (фиг. 1а). Наблюдаваните трептения са хармонични, тъй като при малки отклонения величината на еластичната сила, действаща като направляваща сила, е право пропорционална на отклонението на края на линийката. Това поведение на линийката се описва от теорията за еластичността. 

Ориз. 1. Изследване на еластичния хистерезис с помощта на линийка

1 – линейка,

2 - челюсти на менгеме, А - отклонение на края на линийката от вертикалата

Във втората част на експеримента отклоняваме горния край на линийката с няколко сантиметра, освобождаваме го и наблюдаваме поведението му (фиг. 1б). Сега този край бавно се връща в равновесно положение. Това се дължи на превишението на границата на еластичност на материала на владетеля. Този ефект се нарича еластичен хистерезис. Състои се в бавното връщане на деформираното тяло в първоначалното му състояние. Ако повторим този последен експеримент, като наклоним горния край на линийката още повече, ще открием, че връщането му също ще бъде по-бавно и може да отнеме до няколко минути. Освен това линийката няма да се върне точно във вертикално положение и ще остане постоянно огъната. Ефектите, описани във втората част на експеримента, са само един от предмети за изследване на реологията.

Връщаща се птица или паяк

За следващото изживяване ще използваме евтина и лесна за закупуване играчка (понякога дори се предлага в павилиони). Състои се от плоска фигурка във формата на птица или друго животно, например паяк, свързана с дълга каишка с пръстеновидна дръжка (фиг. 2а). Цялата играчка е изработена от еластичен, подобен на каучук материал, който е леко лепкав на допир. Лентата може да се опъне много лесно, като се увеличи дължината си няколко пъти, без да се разкъсва. Провеждаме експеримент близо до гладка повърхност, като огледално стъкло или мебелна стена. С пръстите на едната ръка хванете дръжката и направете вълна, като по този начин хвърлете играчката върху гладка повърхност. Ще забележите, че фигурката се придържа към повърхността и лентата остава опъната. Продължаваме да държим дръжката с пръсти за няколко десетки секунди или повече.

Ориз. 2. Ярък пример за еластичен хистерезис, показан с помощта на обратен кръст

1 - фигурка на паяк, 2 - гумена лента,

3 - дръжка, 4 - длан, 5 - повърхност

След известно време забелязваме, че фигурката рязко ще се откъсне от повърхността и, привлечена от термосвиваема лента, бързо ще се върне в ръката ни. В този случай, както и в предишния експеримент, също има бавен спад на напрежението, т.е. еластичен хистерезис. Еластичните сили на опънатата лента преодоляват силите на сцепление на шаблона с повърхността, които отслабват с времето. В резултат на това фигурата се връща в ръката. Материалът на играчката, използван в този експеримент, се нарича от реолозите вискоеластичен. Това име е оправдано от факта, че проявява както лепкави свойства - когато се придържа към гладка повърхност, така и еластични свойства - поради които се откъсва от тази повърхност и се връща в първоначалното си състояние.

низходящ човек

Снимка 1. Фигурка, спускаща се по вертикална стена, също е чудесен пример за еластичен хистерезис.

Този експеримент ще използва и леснодостъпна играчка, изработена от вискоеластичен материал (снимка 1). Изработена е под формата на фигура на човек или паяк. Хвърляме тази играчка с разгърнати крайници и обърната с главата надолу върху равна вертикална повърхност, за предпочитане върху стъклена, огледална или мебелна стена. Изхвърлен предмет се залепва за тази повърхност. След известно време, чиято продължителност зависи, наред с други неща, от грапавостта на повърхността и скоростта на хвърляне, горната част на играчката се отделя. Това се случва в резултат на това, което беше обсъдено по-рано. еластичен хистерезис и действието на тежестта на фигурата, която замества еластичната сила на колана, която присъстваше в предишния експеримент.

Под въздействието на тежестта отделената част на играчката се огъва и се отчупва допълнително, докато частта отново докосне вертикалната повърхност. След това докосване започва следващото залепване на фигурата към повърхността. В резултат на това фигурата ще бъде залепена отново, но в положение с главата надолу. Описаните по-долу процеси се повтарят, като фигурите се откъсват последователно от краката и след това от главата. Ефектът е, че фигурата се спуска по вертикална повърхност, правейки ефектни обръщания.

Течен пластилин

Ориз. 3. Тест за течливост на пластилин

а) начална ситуация, б) крайна ситуация;

1 - длан, 2 - горна част от пластилин,

3 - индикатор, 4 - стеснение, 5 - откъснато парче пластилин

В този и няколко последващи експеримента ще използваме наличния в магазините за играчки пластилин, известен като "магическа глина" или "триколин". Омесваме парче пластилин във форма, подобна на дъмбел, с дължина около 4 см и с диаметър на по-дебели части в рамките на 1-2 см и диаметър на стесняване около 5 мм (фиг. 3а). Хващаме отливката с пръсти за горния край на по-дебелата част и я държим неподвижна или я окачваме вертикално до монтирания маркер, указващ местоположението на долния край на по-дебелата част.

Наблюдавайки позицията на долния край на пластилина, отбелязваме, че той бавно се движи надолу. В този случай средната част на пластилина се компресира. Този процес се нарича изтичане или пълзене на материала и се състои в увеличаване на неговото удължение под действието на постоянно напрежение. В нашия случай това напрежение се причинява от тежестта на долната част на пластилиновата гира (фиг. 3б). От микроскопична гледна точка ток това е резултат от промяна в структурата на материала, подложен на натоварвания за достатъчно дълго време. В един момент здравината на стеснената част е толкова малка, че се счупва само под тежестта на долната част на пластилина. Скоростта на потока зависи от много фактори, включително вида на материала, количеството и метода на прилагане на напрежение към него.

Пластилинът, който използваме, е изключително чувствителен към изтичане и можем да го видим с просто око само за няколко десетки секунди. Струва си да добавим, че магическата глина е изобретена случайно в Съединените щати, по време на Втората световна война, когато се правят опити за производство на синтетичен материал, подходящ за производството на гуми за военни превозни средства. В резултат на непълна полимеризация се получава материал, в който определен брой молекули са несвързани, а връзките между други молекули могат лесно да променят позицията си под въздействието на външни фактори. Тези "подскачащи" връзки допринасят за невероятните свойства на подскачащата глина.

заблудена топка

Ориз. 4. Комплект за тестване на пластилин за намазване и отпускане на стреса:

а) начална ситуация, б) крайна ситуация; 1 - стоманена топка,

2 - прозрачен съд, 3 - пластилин, 4 - основа

Сега изстискайте вълшебния пластилин в малък прозрачен съд, отворен отгоре, като се уверите, че в него няма въздушни мехурчета (фиг. 4а). Височината и диаметърът на съда трябва да бъдат няколко сантиметра. В центъра на горната повърхност на пластилина поставете стоманена топка с диаметър около 1,5 см. Оставяме съда с топката сам. На всеки няколко часа наблюдаваме позицията на топката. Имайте предвид, че той навлиза все по-дълбоко в пластилина, който от своя страна отива в пространството над повърхността на топката.

След достатъчно дълго време, което зависи от: теглото на топката, вида на използвания пластилин, размера на топката и тигана, температурата на околната среда, забелязваме, че топката достига дъното на тавата. Пространството над топката ще бъде напълно запълнено с пластилин (фиг. 4б). Този експеримент показва, че материалът тече и облекчаване на стреса.

Скачащ пластилин

Оформете топка от вълшебно тесто и бързо я хвърлете върху твърда повърхност като под или стена. С изненада забелязваме, че пластилинът отскача от тези повърхности като подскачаща гумена топка. Магическата глина е тяло, което може да проявява както пластични, така и еластични свойства. Зависи колко бързо ще действа натоварването върху него.

Когато напреженията се прилагат бавно, както в случая на месене, той проявява пластични свойства. От друга страна, когато силата се прилага бързо, което се случва, когато се сблъска с пода или стената, пластилинът проявява еластични свойства. Магическата глина може накратко да се нарече пластмасово-еластично тяло.

Пластилин за опън

Снимка 2. Ефектът от бавно разтягане на магическа глина (дължината на опънато влакно е около 60 см)

Този път оформете вълшебен цилиндър от пластилин с диаметър около 1 см и дължина няколко сантиметра. Вземете двата края с пръстите на дясната и лявата си ръка и поставете ролката хоризонтално. След това бавно разпространяваме ръцете си встрани в една права линия, като по този начин караме цилиндърът да се разтяга в аксиална посока. Усещаме, че пластилинът не оказва почти никакво съпротивление и забелязваме, че се стеснява в средата.

Дължината на пластилиновия цилиндър може да се увеличи до няколко десетки сантиметра, докато в централната му част се образува тънка нишка, която с времето ще се счупи (снимка 2). Този опит показва, че чрез бавно прилагане на напрежение върху пластмасово-еластично тяло, човек може да причини много голяма деформация, без да го разруши.

твърд пластилин

Приготвяме вълшебния пластилин цилиндър по същия начин, както в предишния експеримент и по същия начин увиваме с пръсти краищата му. След като съсредоточим вниманието си, разперихме ръцете си встрани възможно най-бързо, като искаме рязко да разтегнем цилиндъра. Оказва се, че в този случай усещаме много висока устойчивост на пластилин, а цилиндърът, изненадващо, изобщо не се удължава, а се счупва наполовина на дължината си, сякаш е нарязан с нож (снимка 3). Този експеримент също така показва, че естеството на деформацията на пластмасово-еластично тяло зависи от скоростта на приложение на напрежението.

Пластилинът е крехък като стъкло

Снимка 3. Резултатът от бързото разтягане на вълшебния пластилин - можете да видите многократно по-малко удължение и остър ръб, наподобяващ пукнатина в крехък материал

Този експеримент показва още по-ясно как скоростта на напрежението влияе върху свойствата на пластмасово-еластично тяло. Оформете топка с диаметър около 1,5 см от магическа глина и я поставете върху здрава, масивна основа, като тежка стоманена плоча, наковалня или бетонен под. Бавно удряйте топката с чук с тегло най-малко 0,5 кг (фиг. 5а). Оказва се, че в тази ситуация топката се държи като пластмасово тяло и се сплесква след падане на чук върху нея (фиг. 5б).

Оформете отново сплескания пластилин на топка и го поставете върху чинията както преди. Отново удряме топката с чук, но този път се опитваме да го направим възможно най-бързо (фиг. 5в). Оказва се, че пластилиновата топка в този случай се държи така, сякаш е направена от крехък материал, като стъкло или порцелан, и при удар се разпада на парчета във всички посоки (фиг. 5г).

Термична машина върху фармацевтични гумени ленти

Напрежението в реологичните материали може да бъде намалено чрез повишаване на тяхната температура. Ще използваме този ефект в топлинен двигател с изненадващ принцип на действие. За да го сглобите, ще ви трябва: капачка на винт от тенекиен буркан, десетина къси гумени ленти, голяма игла, правоъгълно парче тънка ламарина и лампа с много гореща крушка. Конструкцията на двигателя е показана на фиг. 6. За да го сглобите, изрежете средната част от капака, така че да се получи пръстен.

Ориз. 5. Метод за демонстриране на пластилин и крехки свойства на пластилин

а) бавно удряне на топката б) бавно удряне

в) бърз удар върху топката, г) ефект от бърз удар;

1 - пластилинова топка, 2 - твърда и масивна плоча, 3 - чук,

v - скорост на чука

В центъра на този пръстен поставяме игла, която е оста, и поставяме еластични ленти върху нея, така че в средата на дължината си да опират в пръстена и да са силно опънати. Еластичните ленти трябва да бъдат поставени симетрично върху пръстена, като по този начин се получава колело със спици, образувани от еластични ленти. Огънете парче ламарина във формата на крапа с изпънати ръце, което ви позволява да поставите предварително направения кръг между тях и да покриете половината от повърхността му. От едната страна на конзолата, в двата й вертикални ръба, правим изрез, който ни позволява да поставим оста на колелото в него.

Поставете оста на колелото в изреза на опората. Завъртаме колелото с пръсти и проверяваме дали е балансирано, т.е. спира ли в някакво положение. Ако това не е така, балансирайте колелото, като леко преместите мястото, където гумените ленти се срещат с пръстена. Поставете скобата на масата и осветете с много гореща лампа частта от кръга, излизаща от арките му. Оказва се, че след известно време колелото започва да се върти.

Причината за това движение е постоянната промяна в позицията на центъра на масата на колелото в резултат на ефект, наречен реолози. релаксация на топлинния стрес.

Тази релаксация се основава на факта, че силно напрегнатият еластичен материал се свива при нагряване. В нашия двигател този материал представлява гумени ленти отстрани на колелото, стърчащи от скобата на скобата и нагрявани от крушка. В резултат на това центърът на масата на колелото се измества към страната, покрита от опорните рамена. В резултат на въртенето на колелото, нагрятите гумени ленти попадат между раменете на опората и се охлаждат, тъй като там са скрити от крушката. Охладените гуми отново се удължават. Последователността на описаните процеси осигурява непрекъснато въртене на колелото.

Не само грандиозни експерименти

Ориз. 6. Проектиране на топлинен двигател от фармацевтични гумени ленти

а) страничен изглед

б) сечение с аксиална равнина; 1 - пръстен, 2 - игла, 3 - фармацевтична гумичка,

4 - скоба, 5 - изрез в скобата, 6 - крушка

Сега реология е бързо развиваща се област от интерес както за физици, така и за специалисти в областта на техническите науки. Реологичните явления в някои ситуации могат да окажат неблагоприятно въздействие върху средата, в която се появяват и трябва да се вземат предвид, например, при проектиране на големи стоманени конструкции, които се деформират с течение на времето. Те са резултат от разпръскването на материала под действието на действащи натоварвания и собственото му тегло.

Точните измервания на дебелината на медните листове, покриващи стръмни покриви и витражи в историческите църкви, показват, че тези елементи са по-дебели отдолу, отколкото отгоре. Това е резултатът токкакто мед, така и стъкло под собственото им тегло в продължение на няколкостотин години. Реологичните явления се използват и в много съвременни и икономични производствени технологии. Пример за това е рециклирането на пластмаси. Повечето продукти, произведени от тези материали, в момента се произвеждат чрез екструдиране, изтегляне и формоване с раздуване. Това се прави след нагряване на материала и прилагане на натиск върху него с подходящо избрана скорост. Така, наред с други неща, фолиа, пръти, тръби, влакна, както и играчки и машинни части със сложни форми. Много важни предимства на тези методи са ниската цена и липсата на отпадъци.