Kada Hukov zakon više nije dovoljan...

Prema Hookeovom zakonu poznatom iz školskih udžbenika, izduženje tijela treba biti direktno proporcionalno primijenjenom naprezanju. Međutim, mnogi materijali koji su od velike važnosti u modernoj tehnologiji i svakodnevnom životu samo su približno usklađeni s ovim zakonom ili se ponašaju potpuno drugačije. Fizičari i inženjeri kažu da takvi materijali imaju reološka svojstva. Proučavanje ovih svojstava bit će predmet nekih zanimljivih eksperimenata.

Reologija je proučavanje svojstava materijala čije ponašanje prevazilazi teoriju elastičnosti zasnovanu na gore spomenutom Hookeovom zakonu. Ovo ponašanje je povezano s mnogim zanimljivim pojavama. To uključuje, posebno: kašnjenje u povratku materijala u prvobitno stanje nakon pada napona, tj. elastičnu histerezu; povećanje elongacije tijela pri stalnom naprezanju, inače zvano protok; ili višestruko povećanje otpornosti na deformacije i tvrdoće prvobitno plastičnog tijela, sve do pojave svojstava karakterističnih za krhke materijale.

lenji vladar

Jedan kraj plastičnog ravnala dužine 30 cm ili više učvršćuje se u čeljusti stege tako da ravnalo bude okomito (sl. 1). Gornji kraj ravnala odbacujemo od vertikale za samo nekoliko milimetara i otpuštamo ga. Imajte na umu da slobodni dio ravnala nekoliko puta oscilira oko vertikalne ravnotežne pozicije i vraća se u prvobitno stanje (slika 1a). Uočene oscilacije su harmonijske, jer je pri malim otklonima veličina elastične sile koja djeluje kao sila vođenja direktno proporcionalna otklonu kraja ravnala. Ovakvo ponašanje lenjira opisano je teorijom elastičnosti. 

Rice. 1. Proučavanje elastične histereze pomoću ravnala

1 – ambulantna kola,

2 - čeljusti stege, A - odstupanje kraja ravnala od vertikale

U drugom dijelu eksperimenta odmaknemo gornji kraj ravnala za nekoliko centimetara, otpustimo ga i promatramo njegovo ponašanje (slika 1b). Sada se ovaj kraj polako vraća u ravnotežni položaj. To je zbog viška granice elastičnosti materijala ravnala. Ovaj efekat se zove elastična histereza. Sastoji se od sporog vraćanja deformisanog tijela u prvobitno stanje. Ako ponovimo ovaj posljednji eksperiment tako što ćemo gornji kraj ravnala još više nagnuti, otkrit ćemo da će i njegovo vraćanje biti sporije i može potrajati do nekoliko minuta. Osim toga, ravnalo se neće vratiti točno u vertikalni položaj i ostat će trajno savijeno. Efekti opisani u drugom dijelu eksperimenta samo su jedan od njih predmeti istraživanja reologije.

Ptica ili pauk koji se vraća

Za sljedeće iskustvo koristit ćemo jeftinu igračku koju je lako kupiti (ponekad je dostupna i na kioscima). Sastoji se od ravne figurice u obliku ptice ili druge životinje, poput pauka, povezane dugačkom trakom sa prstenastom ručkom (sl. 2a). Cijela igračka je napravljena od elastičnog materijala nalik na gumu koji je malo ljepljiv na dodir. Traka se može vrlo lako rastegnuti, povećavajući joj dužinu nekoliko puta bez kidanja. Eksperiment provodimo u blizini glatke površine, kao što je ogledalo ili zid namještaja. Prstima jedne ruke držite ručku i zamahnite i tako bacite igračku na glatku površinu. Primijetit ćete da se figurica lijepi za površinu, a traka ostaje zategnuta. Nastavljamo držati ručicu prstima nekoliko desetina sekundi ili više.

Rice. 2. Živopisan primjer elastične histereze, prikazan pomoću povratnog križa

1 - figurica pauka, 2 - gumica,

3 - drška, 4 - dlan, 5 - površina

Nakon nekog vremena primjećujemo da će se figurica naglo odvojiti od površine i, privučena termoskupljajućom trakom, brzo se vratiti u našu ruku. U ovom slučaju, kao iu prethodnom eksperimentu, dolazi i do sporog opadanja napona, odnosno do elastične histereze. Elastične sile istegnute trake savladavaju sile prianjanja uzorka na površinu, koje vremenom slabe. Kao rezultat, figura se vraća u ruku. Materijal igračke korišćen u ovom eksperimentu reolozi nazivaju viskoelastična. Ovaj naziv je opravdan činjenicom da pokazuje kako ljepljiva svojstva - kada se lijepi za glatku površinu, tako i elastična svojstva - zbog kojih se odvaja od ove površine i vraća u prvobitno stanje.

silazni čovjek

Slika 1. Figura koja se spušta niz vertikalni zid također je odličan primjer elastične histereze.

Ovaj eksperiment će također koristiti lako dostupnu igračku od viskoelastičnog materijala (slika 1). Izrađen je u obliku figure čovjeka ili pauka. Ovu igračku bacamo s raspoređenim udovima i okrenutu naopačke na ravnu okomitu površinu, najbolje na staklo, ogledalo ili zid namještaja. Bačeni predmet zalijepi se za ovu površinu. Nakon nekog vremena, čije trajanje ovisi, između ostalog, o hrapavosti površine i brzini bacanja, vrh igračke se skida. Ovo se dešava kao rezultat onoga o čemu je ranije bilo reči. elastična histereza i djelovanje težine figure, koja zamjenjuje elastičnu silu pojasa, koja je bila prisutna u prethodnom eksperimentu.

Pod utjecajem težine, odvojeni dio igračke se savija i dalje se lomi dok dio ponovo ne dodirne vertikalnu površinu. Nakon ovog dodira počinje sljedeće lijepljenje figure na površinu. Kao rezultat, figura će biti ponovo zalijepljena, ali u položaju s glavom prema dolje. Ponavljaju se dolje opisani procesi, a figure naizmjenično otkidaju noge, a zatim glavu. Efekat je da se figura spušta duž vertikalne površine, praveći spektakularne preokrete.

Tečni plastelin

Rice. 3. Test protoka plastelina

a) početna situacija, b) konačna situacija;

1 - dlan, 2 - gornji dio plastelina,

3 - indikator, 4 - suženje, 5 - rastrgani komad plastelina

U ovom i nekoliko narednih eksperimenata koristit ćemo plastelin dostupan u trgovinama igračaka, poznat kao "magična glina" ili "trikolin". Umijesimo komad plastelina oblika sličnog bučici, dužine oko 4 cm i promjera debljih dijelova unutar 1-2 cm i prečnika suženja od oko 5 mm (slika 3a). Lajsnu uhvatimo prstima za gornji kraj debljeg dijela i držimo je nepomično ili je objesimo okomito pored postavljenog markera koji označava mjesto donjeg kraja debljeg dijela.

Promatrajući položaj donjeg kraja plastelina, primjećujemo da se polako pomiče prema dolje. U ovom slučaju, srednji dio plastelina je komprimiran. Taj se proces naziva strujanje ili puzanje materijala i sastoji se u povećanju njegovog istezanja pod djelovanjem stalnog naprezanja. U našem slučaju ovaj stres je uzrokovan težinom donjeg dijela bučice od plastelina (slika 3b). Sa mikroskopske tačke gledišta struja ovo je rezultat promjene u strukturi materijala koji je dovoljno dugo izložen opterećenjima. U jednom trenutku, čvrstoća suženog dijela je toliko mala da se lomi pod težinom samog donjeg dijela plastelina. Brzina protoka ovisi o mnogim faktorima, uključujući vrstu materijala, količinu i način nanošenja naprezanja na njega.

Plastelin koji koristimo izuzetno je osjetljiv na tečenje i možemo ga vidjeti golim okom za samo nekoliko desetina sekundi. Vrijedi dodati da je magična glina izmišljena slučajno u Sjedinjenim Državama, tokom Drugog svjetskog rata, kada se pokušalo proizvesti sintetički materijal pogodan za proizvodnju guma za vojna vozila. Kao rezultat nepotpune polimerizacije, dobijen je materijal u kojem je određeni broj molekula bio nevezan, a veze između ostalih molekula mogle su lako promijeniti svoj položaj pod utjecajem vanjskih faktora. Ove "poskakujuće" veze doprinose nevjerovatnim svojstvima poskakajuće gline.

zalutala lopta

Rice. 4. Set za testiranje plastelina za razmazivanje i opuštanje stresa:

a) početna situacija, b) konačna situacija; 1 - čelična kugla,

2 - prozirna posuda, 3 - plastelin, 4 - baza

Sada istisnite čarobni plastelin u malu prozirnu posudu, otvorenu na vrhu, pazeći da u njoj nema mjehurića zraka (slika 4a). Visina i promjer posude trebaju biti nekoliko centimetara. Na sredinu gornje površine plastelina stavite čeličnu kuglicu prečnika oko 1,5 cm. Posudu sa loptom ostavljamo na miru. Svakih nekoliko sati posmatramo poziciju lopte. Imajte na umu da ide sve dublje u plastelin, koji zauzvrat ide u prostor iznad površine lopte.

Nakon dovoljno dugog vremena, koje zavisi od: težine kuglice, vrste upotrebljenog plastelina, veličine kuglice i posude, temperature okoline, uočavamo da je kuglica došla do dna posude. Prostor iznad lopte će biti potpuno ispunjen plastelinom (slika 4b). Ovaj eksperiment pokazuje da materijal teče i ublažiti stres.

Plastelin za skakanje

Formirajte kuglu od čarobnog testa i brzo je bacite na tvrdu površinu kao što je pod ili zid. Sa iznenađenjem primjećujemo da se plastelin odbija od ovih površina poput skakuće gumene lopte. Čarobna glina je tijelo koje može pokazati i plastična i elastična svojstva. Zavisi koliko će brzo opterećenje djelovati na njega.

Kada se naprezanja primjenjuju polako, kao u slučaju gnječenja, ispoljava plastična svojstva. S druge strane, uz brzu primjenu sile, koja se javlja prilikom sudara s podom ili zidom, plastelin pokazuje elastična svojstva. Čarobna glina se ukratko može nazvati plastično-elastičnim tijelom.

Vlačni plastelin

Slika 2. Efekat sporog rastezanja magične gline (dužina rastegnutog vlakna je oko 60 cm)

Ovaj put formirajte čarobni cilindar od plastelina prečnika oko 1 cm i dužine nekoliko centimetara. Uzmite oba kraja prstima desne i lijeve ruke i postavite valjak vodoravno. Zatim polako širimo ruke u stranu u jednoj pravoj liniji, uzrokujući na taj način da se cilindar isteže u aksijalnom smjeru. Osjećamo da plastelin gotovo ne pruža otpor, a primjećujemo da se u sredini sužava.

Dužina cilindra od plastelina može se povećati na nekoliko desetina centimetara, sve dok se u njegovom središnjem dijelu ne formira tanka nit koja će se vremenom prekinuti (slika 2). Ovo iskustvo pokazuje da se polaganim naprezanjem na plastično-elastično tijelo može izazvati vrlo velika deformacija, a da se ono ne uništi.

tvrdi plastelin

Čarobni cilindar od plastelina pripremamo na isti način kao u prethodnom eksperimentu i na isti način omotamo prste oko njegovih krajeva. Skoncentrisavši pažnju, raširili smo ruke u strane što je brže moguće, želeći da oštro istegnemo cilindar. Ispostavilo se da u ovom slučaju osjećamo vrlo visoku otpornost plastelina, a cilindar se, iznenađujuće, uopće ne izdužuje, već se lomi na pola svoje dužine, kao da je izrezan nožem (slika 3). Ovaj eksperiment također pokazuje da priroda deformacije plastično-elastičnog tijela ovisi o brzini primjene naprezanja.

Plastelin je krhak poput stakla

Fotografija 3. Rezultat brzog rastezanja čarobnog plastelina - možete vidjeti mnogo puta manje izduženje i oštru ivicu, nalik na pukotinu u krhkom materijalu

Ovaj eksperiment još jasnije pokazuje kako brzina naprezanja utječe na svojstva plastično-elastičnog tijela. Od magične gline formirajte kuglu promjera oko 1,5 cm i stavite je na čvrstu, masivnu podlogu, kao što je teška čelična ploča, nakovanj ili betonski pod. Polako udarajte loptu čekićem težine najmanje 0,5 kg (slika 5a). Ispostavilo se da se u ovoj situaciji lopta ponaša kao plastično tijelo i da se spljošti nakon što na nju padne čekić (slika 5b).

Spljošteni plastelin ponovo oblikujte u kuglu i stavite je na tanjir kao i ranije. Ponovo udaramo loptu čekićem, ali ovoga puta pokušavamo da to uradimo što je brže moguće (Sl. 5c). Ispostavilo se da se kuglica od plastelina u ovom slučaju ponaša kao da je napravljena od lomljivog materijala, poput stakla ili porculana, a pri udaru se raspada u komadiće u svim smjerovima (Sl. 5d).

Termo mašina na farmaceutskim gumicama

Naprezanje u reološkim materijalima može se smanjiti podizanjem njihove temperature. Ovaj efekat ćemo koristiti u toplotnom stroju sa iznenađujućim principom rada. Da biste ga sastavili, trebat će vam: čep na navoj od limene tegle, desetak kratkih gumica, velika igla, pravougaoni komad tankog lima i lampa sa jako vrućom sijalicom. Dizajn motora je prikazan na slici 6. Da biste ga sastavili, izrežite srednji dio od poklopca tako da se dobije prsten.

Rice. 5. Metoda za dokazivanje plastelina i krhkih svojstava plastelina

a) sporo udaranje lopte b) sporo udaranje

c) brz udarac na loptu, d) efekat brzog udarca;

1 - kuglica od plastelina, 2 - čvrsta i masivna ploča, 3 - čekić,

v - brzina čekića

U središte ovog prstena stavljamo iglu, koja je os, i stavljamo elastične trake na nju tako da se sredinom njegove dužine naslanjaju na prsten i snažno se rastežu. Elastične trake treba postaviti simetrično na prsten, tako da se dobije točak sa žbicama formiranim od elastičnih traka. Savijte komad lima u oblik dereze sa ispruženim rukama, omogućavajući vam da između njih postavite prethodno napravljen krug i pokrijete polovinu njegove površine. Na jednoj strani konzole, na obje njene okomite ivice, napravimo izrez koji nam omogućava da u nju postavimo osovinu kotača.

Postavite osovinu kotača u izrez oslonca. Prstima rotiramo točak i provjeravamo da li je balansiran, tj. da li se zaustavlja u bilo kom položaju. Ako to nije slučaj, izbalansirajte točak laganim pomjeranjem mjesta gdje se gumene trake spajaju s prstenom. Stavite nosač na sto i jako vrućom lampom osvijetlite dio kruga koji viri iz njegovih lukova. Ispostavilo se da nakon nekog vremena kotač počinje da se okreće.

Razlog za ovo kretanje je stalna promjena položaja centra mase točka kao rezultat efekta zvanog reolozi. opuštanje termičkog stresa.

Ova relaksacija se zasniva na činjenici da se elastični materijal sa visokim opterećenjem skuplja kada se zagreva. U našem motoru, ovaj materijal su gumene trake na strani kotača koje vire iz nosača nosača i zagrijavaju se sijalicom. Kao rezultat, centar mase točka se pomiče na stranu koju pokrivaju potporni krakovi. Kao rezultat rotacije kotača, zagrijane gumene trake padaju između ramena nosača i hlade se, jer su tamo skrivene od sijalice. Ohlađene gumice se ponovo produžuju. Redoslijed opisanih procesa osigurava kontinuiranu rotaciju kotača.

Ne samo spektakularni eksperimenti

Rice. 6. Dizajn toplotnog motora od farmaceutskih gumica

a) pogled sa strane

b) presek aksijalnom ravninom; 1 - prsten, 2 - igla, 3 - farmaceutska gumica,

4 - nosač, 5 - izrez u nosaču, 6 - sijalica

Sada reologija je oblast koja se brzo razvija i od interesa za fizičare i stručnjake iz oblasti tehničkih nauka. Reološke pojave u nekim situacijama mogu imati negativan učinak na okolinu u kojoj se javljaju i moraju se uzeti u obzir, na primjer, pri projektiranju velikih čeličnih konstrukcija koje se vremenom deformiraju. Nastaju kao rezultat rasprostiranja materijala pod djelovanjem djelotvornih opterećenja i vlastite težine.

Precizna mjerenja debljine bakrenih limova koji pokrivaju strme krovove i vitraže u povijesnim crkvama pokazala su da su ovi elementi deblji pri dnu nego na vrhu. Ovo je rezultat strujai bakra i stakla pod vlastitom težinom nekoliko stotina godina. Reološki fenomeni se također koriste u mnogim modernim i ekonomičnim proizvodnim tehnologijama. Primjer je recikliranje plastike. Većina proizvoda napravljenih od ovih materijala trenutno se proizvodi ekstruzijom, izvlačenjem i puhanjem. To se radi nakon zagrijavanja materijala i primjene pritiska na njega odgovarajućom brzinom. Tako, između ostalog, folije, šipke, cijevi, vlakna, kao i igračke i dijelovi strojeva složenih oblika. Vrlo važne prednosti ovih metoda su niska cijena i bez otpada.