Kun Hooken laki ei enää riitä...
Pitoisuus
Koulun oppikirjoista tunnetun Hooken lain mukaan kehon venymän tulee olla suoraan verrannollinen kohdistuvaan jännitykseen. Monet materiaalit, joilla on suuri merkitys nykytekniikassa ja jokapäiväisessä elämässä, ovat kuitenkin vain suunnilleen tämän lain mukaisia tai käyttäytyvät täysin eri tavalla. Fyysikot ja insinöörit sanovat, että tällaisilla materiaaleilla on reologisia ominaisuuksia. Näiden ominaisuuksien tutkiminen tulee olemaan mielenkiintoisten kokeiden kohteena.
Reologia on sellaisten materiaalien ominaisuuksien tutkimusta, joiden käyttäytyminen ylittää elastisuusteorian edellä mainitun Hooken lain perusteella. Tämä käyttäytyminen liittyy moniin mielenkiintoisiin ilmiöihin. Näitä ovat erityisesti: viive materiaalin palautumisessa alkuperäiseen tilaan jännitehäviön jälkeen, ts. elastinen hystereesi; kehon venymisen lisääntyminen jatkuvassa rasituksessa, jota kutsutaan muuten virtaukseksi; tai alun perin muovisen kappaleen muodonmuutoskestävyyden ja kovuuden moninkertainen lisääntyminen hauraille materiaaleille ominaisten ominaisuuksien ilmenemiseen asti.
laiska hallitsija
30 cm:n tai pidemmän muoviviivaimen toinen pää kiinnitetään ruuvipenkkien leukoihin siten, että viivain on pystysuorassa (kuva 1). Hylkäämme viivaimen yläpään pystysuorasta vain muutaman millimetrin verran ja vapautamme sen. Huomaa, että viivaimen vapaa osa värähtelee useita kertoja pystysuoran tasapainoasennon ympäri ja palaa alkuperäiseen tilaansa (kuva 1a). Havaitut värähtelyt ovat harmonisia, koska pienillä taipumilla ohjausvoimana toimivan kimmovoiman suuruus on suoraan verrannollinen viivaimen pään taipumaan. Tätä viivaimen käyttäytymistä kuvaa elastisuusteoria.
Riisi. 1. Elastisen hystereesin tutkimus viivaimen avulla
1 - ambulanssi,
2 - ruuvipuristimen leuat, A - viivaimen pään poikkeama pystysuorasta
Kokeen toisessa osassa taivutamme viivaimen yläpäätä muutaman senttimetrin verran, vapautamme sen ja tarkkailemme sen käyttäytymistä (kuva 1b). Nyt tämä pää on hitaasti palaamassa tasapainoasentoon. Tämä johtuu viivainmateriaalin elastisuusrajan ylityksestä. Tätä vaikutusta kutsutaan elastinen hystereesi. Se koostuu epämuodostuneen kappaleen hitaasta palautumisesta alkuperäiseen tilaan. Jos toistamme tämän viimeisen kokeen kallistamalla viivaimen yläpäätä vielä enemmän, huomaamme, että myös sen paluu on hitaampaa ja voi kestää useita minuutteja. Lisäksi viivain ei palaa tarkalleen pystyasentoon ja pysyy pysyvästi taipuneena. Kokeen toisessa osassa kuvatut vaikutukset ovat vain yksi niistä reologian tutkimusaiheet.
Palaava lintu tai hämähäkki
Seuraavaa kokemusta varten käytämme halpaa ja helposti ostettavaa lelua (joskus jopa kioskeissa). Se koostuu litteästä linnun tai muun eläimen, kuten hämähäkin, muotoisesta hahmosta, joka on yhdistetty pitkällä hihnalla, jossa on rengasmainen kahva (kuva 2a). Koko lelu on valmistettu joustavasta, kumimaisesta materiaalista, joka on hieman tahmeaa kosketukseen. Nauhaa voidaan venyttää erittäin helposti, jolloin sen pituus kasvaa useita kertoja repeytymättä. Teemme kokeen lähellä sileää pintaa, kuten peililasia tai huonekaluseinää. Pidä toisen käden sormilla kiinni kahvasta ja tee aalto, jolloin lelu heitetään tasaiselle pinnalle. Huomaat, että hahmo tarttuu pintaan ja teippi pysyy kireänä. Jatkamme kahvan pitämistä sormillamme useita kymmeniä sekunteja tai enemmän.
Riisi. 2. Elävä esimerkki elastisesta hystereesistä, esitetty paluuristillä
1 - hämähäkkihahmo, 2 - kuminauha,
3 - kahva, 4 - kämmen, 5 - pinta
Jonkin ajan kuluttua huomaamme, että hahmo irtoaa äkillisesti pinnalta ja palaa nopeasti takaisin käteemme kutistenauhan vetämänä. Tässä tapauksessa, kuten edellisessä kokeessa, tapahtuu myös hidas jännitteen vaimeneminen, eli elastinen hystereesi. Venytetyn nauhan elastiset voimat ylittävät kuvion pintaan tarttumisvoimat, jotka heikkenevät ajan myötä. Tämän seurauksena hahmo palaa käteen. Tässä kokeessa käytetyn lelun materiaalia kutsuvat reologit viskoelastinen. Tämä nimi on perusteltu sillä, että sillä on sekä tahmeita ominaisuuksia - kun se tarttuu sileään pintaan, että elastisia ominaisuuksia - joiden ansiosta se irtoaa tästä pinnasta ja palaa alkuperäiseen tilaansa.
laskeva mies
Kuva 1. Pystysuorassa seinässä laskeutuva hahmo on myös loistava esimerkki elastisesta hystereesistä.
Tässä kokeessa käytetään myös helposti saatavilla olevaa viskoelastisesta materiaalista valmistettua lelua (kuva 1). Se on tehty miehen tai hämähäkin hahmon muodossa. Heitämme tämän lelun raajoilla ja ylösalaisin tasaiselle pystypinnalle, mieluiten lasille, peilille tai huonekaluseinään. Heitetty esine tarttuu tähän pintaan. Jonkin ajan kuluttua, jonka kesto riippuu muun muassa pinnan epätasaisuudesta ja heittonopeudesta, lelun yläosa irtoaa. Tämä johtuu siitä, mistä aiemmin keskusteltiin. elastinen hystereesi ja hahmon painon vaikutus, joka korvaa edellisessä kokeessa esiintyneen hihnan elastisen voiman.
Painon vaikutuksesta lelun irronnut osa taipuu alas ja katkeaa edelleen, kunnes osa taas koskettaa pystysuoraa pintaa. Tämän kosketuksen jälkeen alkaa seuraava kuvion liimaus pintaan. Tämän seurauksena hahmo liimataan uudelleen, mutta pää alaspäin. Alla kuvatut prosessit toistetaan, jolloin hahmot repivät vuorotellen jaloista ja sitten pään. Vaikutus on, että hahmo laskeutuu pystysuoraa pintaa pitkin ja tekee näyttäviä käännöksiä.
Nestemäinen muovailuvaha
Riisi. 3. Muovailuvahavirtaustesti
a) lähtötilanne, b) lopullinen tilanne;
1 - kämmen, 2 - yläosa muovailuvahaa,
3 - indikaattori, 4 - supistuminen, 5 - revitty muovailuvaha
Tässä ja useissa myöhemmissä kokeissa käytämme lelukaupoista saatavilla olevaa muovailuvahaa, joka tunnetaan nimellä "magic clay" tai "tricolin". Vaivaamme käsipainon muotoista muovailuvahaa, joka on noin 4 cm pitkä ja jonka paksumpien osien halkaisija on 1-2 cm ja kapenevien osien halkaisija noin 5 mm (kuva 3a). Tartumme listaan sormillamme paksumman osan yläpäästä ja pidämme sitä liikkumattomana tai ripustamme pystysuoraan asennetun merkin viereen osoittaen paksumman osan alapään sijaintia.
Tarkkailemalla plastiliinin alapään asentoa huomaamme, että se liikkuu hitaasti alas. Tässä tapauksessa plastiliinin keskiosa puristetaan. Tätä prosessia kutsutaan materiaalin virtaukseksi tai virumiseksi, ja se koostuu sen venymän lisäämisestä jatkuvan jännityksen vaikutuksesta. Meidän tapauksessamme tämä jännitys johtuu plastiliinikäsipainon alaosan painosta (kuva 3b). Mikroskooppisesta näkökulmasta nykyinen tämä on seurausta riittävän pitkään kuormitetun materiaalin rakenteen muutoksesta. Jossain vaiheessa kavennetun osan lujuus on niin pieni, että se katkeaa pelkän muovailuvahan alaosan painon alla. Virtausnopeus riippuu monista tekijöistä, mukaan lukien materiaalin tyypistä, määrästä ja siihen kohdistuvasta jännityksestä.
Käyttämämme muovailuvaha on erittäin herkkä virtaukselle, ja näemme sen paljaalla silmällä muutamassa kymmenessä sekunnissa. On syytä lisätä, että taikasavi keksittiin sattumalta Yhdysvalloissa toisen maailmansodan aikana, kun yritettiin valmistaa synteettistä materiaalia, joka soveltuu sotilasajoneuvojen renkaiden valmistukseen. Epätäydellisen polymeroinnin seurauksena saatiin materiaalia, jossa tietty määrä molekyylejä oli sitoutumattomia ja muiden molekyylien väliset sidokset saattoivat helposti muuttaa asemaansa ulkoisten tekijöiden vaikutuksesta. Nämä "pomppivat" linkit edistävät pomppivan saven hämmästyttäviä ominaisuuksia.
hajallaan oleva pallo
Riisi. 4. Setti muovailuvahaan levittämiseen ja stressin rentoutumiseen:
a) lähtötilanne, b) lopullinen tilanne; 1 - teräskuula,
2 - läpinäkyvä astia, 3 - muovailuvaha, 4 - pohja
Purista nyt taikamuovailuvaha pieneen läpinäkyvään astiaan, joka aukeaa ylhäältä ja varmista, ettei siinä ole ilmakuplia (kuva 4a). Astian korkeuden ja halkaisijan tulee olla useita senttimetrejä. Aseta muovailuvahan yläpinnan keskelle halkaisijaltaan noin 1,5 cm teräspallo, jonka kanssa jätetään astia yksin. Muutaman tunnin välein tarkkailemme pallon asentoa. Huomaa, että se menee syvemmälle ja syvemmälle plastiliiniin, joka puolestaan menee pallon pinnan yläpuolelle.
Riittävän pitkän ajan kuluttua, joka riippuu: pallon painosta, käytetyn muovailuvaha tyypistä, pallon ja astian koosta, ympäristön lämpötilasta, huomaamme pallon saavuttavan pannun pohjan. Pallon yläpuolella oleva tila täytetään kokonaan muovailuvahalla (kuva 4b). Tämä koe osoittaa, että materiaali virtaa ja helpottaa stressiä.
Muovailuvaha hyppääminen
Muodosta taikaasta leikkitaikinapallo ja heitä se nopeasti kovalle alustalle, kuten lattialle tai seinälle. Huomaamme hämmästyneenä, että muovailuvaha pomppii näistä pinnoista pomppivana kumipallona. Taikasavi on runko, jolla voi olla sekä plastisia että elastisia ominaisuuksia. Se riippuu siitä, kuinka nopeasti kuorma vaikuttaa siihen.
Kun jännityksiä kohdistetaan hitaasti, kuten vaivaamisen tapauksessa, sillä on plastisia ominaisuuksia. Toisaalta, kun voimaa kohdistetaan nopeasti, mikä tapahtuu sen törmääessä lattiaan tai seinään, plastiliinilla on elastisia ominaisuuksia. Taikasavea voidaan lyhyesti kutsua muovi-elastiseksi kappaleeksi.
Vetävä muovailuvaha
Kuva 2. Taikasaven hitaan venytyksen vaikutus (venytetyn kuidun pituus noin 60 cm)
Muotoile tällä kertaa taikasylinteri, jonka halkaisija on noin 1 cm ja pituus muutama senttimetri. Ota molemmat päät oikean ja vasemman kätesi sormilla ja aseta rulla vaakasuoraan. Sitten levitämme hitaasti käsiämme sivuille yhtenä suorana linjana, jolloin sylinteri venyy aksiaalisuunnassa. Koemme, että muovailuvaha ei vastusta juuri lainkaan ja huomaamme sen kapenevan keskeltä.
Muovailuvahasylinterin pituutta voidaan kasvattaa useisiin kymmeniin senttimetreihin, kunnes sen keskiosaan muodostuu ohut lanka, joka katkeaa ajan myötä (kuva 2). Tämä kokemus osoittaa, että kohdistamalla hitaasti muovi-elastiseen kappaleeseen jännitystä voidaan aiheuttaa erittäin suuri muodonmuutos tuhoamatta sitä.
kovaa muovailuvahaa
Valmistelemme taikamuovailuvahasylinterin samalla tavalla kuin edellisessä kokeessa ja kiedoimme sormet sen päiden ympärille samalla tavalla. Keskitettyämme huomiomme levitimme käsivartemme sivuille mahdollisimman nopeasti haluten venyttää sylinteriä jyrkästi. Osoittautuu, että tässä tapauksessa tunnemme plastiliinin erittäin suuren vastuksen, ja sylinteri ei yllättäen pidennä ollenkaan, vaan katkeaa puoleen pituudestaan, ikään kuin leikattaisiin veitsellä (kuva 3). Tämä koe osoittaa myös, että muovi-elastisen kappaleen muodonmuutoksen luonne riippuu jännitysnopeudesta.
Muovailuvaha on hauras kuin lasi
Kuva 3. Taikamuovailun nopean venytyksen tulos - näet monta kertaa vähemmän venymistä ja terävän reunan, joka muistuttaa halkeamaa hauraassa materiaalissa
Tämä koe osoittaa vielä selvemmin, kuinka jännitysnopeus vaikuttaa muovi-elastisen kappaleen ominaisuuksiin. Muotoile taikasavista halkaisijaltaan noin 1,5 cm pallo ja aseta se kiinteälle, massiiviselle alustalle, kuten raskaalle teräslevylle, alasimelle tai betonilattialle. Lyö palloa hitaasti vähintään 0,5 kg painavalla vasaralla (kuva 5a). Osoittautuu, että tässä tilanteessa pallo käyttäytyy kuin muovirunko ja litistyy vasaran putoamisen jälkeen (kuva 5b).
Muotoile litistetty muovailuvaha uudelleen palloksi ja aseta se lautaselle kuten ennen. Taas lyömme palloa vasaralla, mutta tällä kertaa yritämme tehdä sen mahdollisimman nopeasti (kuva 5c). Osoittautuu, että muovailuvahapallo käyttäytyy tässä tapauksessa ikään kuin se olisi valmistettu hauraasta materiaalista, kuten lasista tai posliinista, ja iskun seurauksena se murtuu palasiksi joka suuntaan (kuva 5d).
Lämpökone farmaseuttisilla kuminauhoilla
Reologisten materiaalien stressiä voidaan vähentää nostamalla niiden lämpötilaa. Käytämme tätä efektiä lämpökoneessa, jonka toimintaperiaate on yllättävä. Sen kokoamiseen tarvitset: tinapurkin kierrekorkin, kymmenkunta lyhyttä kuminauhaa, suuren neulan, suorakaiteen muotoisen ohuen metallilevyn ja lampun, jossa on erittäin kuuma polttimo. Moottorin rakenne on esitetty kuvassa 6. Kokoamista varten leikkaa kannesta keskiosa niin, että muodostuu rengas.
Riisi. 5. Menetelmä plastiliinin ja plastiliinin hauraiden ominaisuuksien osoittamiseksi
a) hidas lyöminen palloa b) hidas lyöminen
c) nopea lyönti palloon, d) nopean iskun vaikutus;
1 - muovailuvaha pallo, 2 - kiinteä ja massiivinen levy, 3 - vasara,
v - vasaran nopeus
Tämän renkaan keskelle laitamme neulan, joka on akseli, ja laitamme siihen joustavat nauhat niin, että ne lepäävät sen pituuden keskellä rengasta vasten ja venyvät voimakkaasti. Joustavat nauhat tulee sijoittaa symmetrisesti renkaaseen, jolloin saadaan pyörä, jossa on elastisista nauhoista muodostetut pinnat. Taivuta peltipala kramppumaiseen muotoon käsivarret ojennettuina, jolloin voit asettaa aiemmin tehdyn ympyrän niiden väliin ja peittää puolet sen pinnasta. Ulokkeen toiselle puolelle, sen molemmille pystysuorille reunille, teemme leikkauksen, jonka avulla voimme sijoittaa pyörän akselin siihen.
Aseta pyörän akseli tuen aukkoon. Pyöritämme pyörää sormillamme ja tarkistamme, onko se tasapainossa, ts. pysähtyykö se mihin tahansa asentoon. Jos näin ei ole, tasapainota pyörää siirtämällä hieman paikkaa, jossa kuminauhat kohtaavat renkaan. Aseta kannatin pöydälle ja valaise sen kaarista ulkoneva ympyrän osa erittäin kuumalla lampulla. Osoittautuu, että hetken kuluttua pyörä alkaa pyöriä.
Syynä tähän liikkeeseen on pyörän massakeskipisteen asennon jatkuva muutos reologeiksi kutsutun vaikutuksen seurauksena. lämpöstressin rentoutuminen.
Tämä rentoutuminen perustuu siihen, että erittäin jännitetty elastinen materiaali supistuu kuumennettaessa. Moottorissamme tämä materiaali on pyörän puoleisia kuminauhaa, jotka työntyvät esiin kannakkeen kannattimesta ja lämmitetään hehkulampulla. Tämän seurauksena pyörän painopiste siirtyy tukivarsien peittämälle puolelle. Pyörän pyörimisen seurauksena lämmitetyt kuminauhat putoavat tuen olkapäiden väliin ja jäähtyvät, koska siellä ne ovat piilossa polttimolta. Jäähtyneet pyyhekumit pidentyvät jälleen. Kuvattujen prosessien järjestys varmistaa pyörän jatkuvan pyörimisen.
Ei vain upeita kokeita
Riisi. 6. Farmaseuttisista kuminauhoista tehdyn lämpökoneen suunnittelu
a) sivukuva
b) leikkaus aksiaalitasolla; 1 - rengas, 2 - neula, 3 - farmaseuttinen pyyhekumi,
4 - kannatin, 5 - aukko kannakkeessa, 6 - polttimo
Nyt reologia on nopeasti kehittyvä ala, joka kiinnostaa sekä fyysikoita että teknisten tieteiden asiantuntijoita. Reologiset ilmiöt voivat joissain tilanteissa vaikuttaa haitallisesti ympäristöön, jossa ne esiintyvät, ja ne on otettava huomioon esimerkiksi suunniteltaessa suuria teräsrakenteita, jotka muuttuvat ajan myötä. Ne johtuvat materiaalin leviämisestä vaikuttavien kuormien ja sen oman painon vaikutuksesta.
Historiallisten kirkkojen jyrkkiä kattoja ja lasimaalauksia peittävien kuparilevyjen paksuuden tarkat mittaukset ovat osoittaneet, että nämä elementit ovat paksumpia alhaalta kuin ylhäältä. Tämä on tulos nykyinensekä kuparia että lasia oman painonsa alla useita satoja vuosia. Reologisia ilmiöitä käytetään myös monissa nykyaikaisissa ja taloudellisissa valmistustekniikoissa. Esimerkkinä on muovin kierrätys. Suurin osa näistä materiaaleista valmistetuista tuotteista valmistetaan tällä hetkellä suulakepuristamalla, vetämällä ja puhallusmuovauksella. Tämä tehdään materiaalin kuumentamisen ja siihen kohdistetun paineen jälkeen asianmukaisesti valitulla nopeudella. Siten muun muassa kalvot, tangot, putket, kuidut sekä monimutkaiset lelut ja koneenosat. Näiden menetelmien erittäin tärkeitä etuja ovat alhaiset kustannukset ja jätteet.
