Калі закону Гука ўжо недастаткова…

Па вядомым са школьных падручнікаў закону Гука падаўжэнне цела павінна быць прама прапарцыйна прыкладзенаму напружанню. Аднак шматлікія матэрыялы, якія маюць вялікае значэнне ў сучасных тэхналогіях і побыце, толькі прыблізна выконваюць гэты закон ці паводзяць сябе зусім інакш. Фізікі і інжынеры гавораць, што такія матэрыялы валодаюць рэалагічнымі ўласцівасцямі. Вывучэнне гэтых уласцівасцей будзе прадметам некаторых цікавых эксперыментаў.

Рэалогія - гэта вывучэнне ўласцівасцяў матэрыялаў, паводзіны якіх выходзіць за рамкі тэорыі пругкасці, заснаванай на вышэйзгаданым законе Гука. Гэтыя паводзіны злучаны са шматлікімі цікавымі з'явамі. Да іх, у прыватнасці, ставяцца: затрымка звароту матэрыялу ў зыходны стан пасля спаду высілкаў, т. е. пругкі гістарэзіс; павелічэнне падаўжэння цела пры сталай напрузе, інакш званай плынню; ці шматразовае павелічэнне супраціву дэфармацыі і цвёрдасці першапачаткова пластычнага цела, аж да з'яўленні ўласцівасцяў, характэрных для далікатных матэрыялаў.

Гультай кіраўнік

Адзін канец пластыкавай лінейкі даўжынёй 30 гл і больш замацоўваюць у губках ціскоў такім чынам, каб лінейка размяшчалася вертыкальна (мал. 1). Адхіляем верхні канец лінейкі ад вертыкалі ўсяго на некалькі міліметраў і адпускаем. Заўважым, што свабодная частка лінейкі некалькі разоў вагаецца вакол вертыкальнага становішча раўнавагі і вяртаецца ў зыходны стан (мал. 1а). Назіраныя ваганні з'яўляюцца гарманічнымі, бо пры малых прагінах велічыня сілы пругкасці, якая дзейнічае як накіроўвалая сіла, прама прапарцыйная прагіну канца лінейкі. Такія паводзіны лінейкі апісваецца тэорыяй пругкасці. 

Мал. 1. Даследаванне пругкага гістарэзісу з дапамогай лінейкі

1 – машына хуткай дапамогі,

2 - губкі ціскоў, А - адхіленне канца лінейкі ад вертыкалі

У другой частцы эксперыменту адхіляем верхні канец лінейкі на некалькі сантыметраў, адпускаем і назіраем за яе паводзінамі (мал. 1б). Цяпер гэты канец павольна вяртаецца ў становішча раўнавагі. Гэта злучана з перавышэннем мяжы пругкасці матэрыялу лінейкі. Згаданы эфект называецца пругкі гістарэзіс. Ён заключаецца ў запаволеным вяртанні дэфармаванага цела ў зыходны стан. Калі мы паўторым гэты апошні досвед, яшчэ больш нахіліўшы верхні канец лінейкі, мы выявім, што яе вяртанне таксама будзе павольней і можа заняць да некалькіх мінуць. Акрамя таго, лінейка не вернецца сапраўды ў вертыкальнае становішча і застанецца стала сагнутай. Эфекты, апісаныя ў другой частцы эксперыменту, з'яўляюцца толькі адным з прадметы даследавання рэалогіі.

Якая вяртаецца птушка або павук

Для наступнага досведу мы будзем выкарыстоўваць танную і лёгка пакупаную цацку (часам нават даступную ў кіёсках). Ён складаецца з плоскай фігуркі ў выглядзе птушкі або іншай жывёлы, напрыклад павука, злучанай доўгім раменьчыкам з колцападобнай ручкай (мал. 2а). Уся цацка выраблена з пругкага, злёгку ліпкага навобмацак матэрыялу, падобнага на гуму. Стужку можна вельмі лёгка расцягнуць, павялічыўшы яе даўжыню ў некалькі разоў і не парваўшы яе. Мы праводзім эксперымент зблізку гладкай паверхні, напрыклад, люстранога шкла ці мэблевай сценкі. Пальцамі адной рукі трымаем ручку і які робіцца ўзмах, тым самым падкідваючы цацку на гладкую паверхню. Вы заўважыце, што фігурка прыліпае да паверхні, а стужка застаецца нацягнутай. Працягваем утрымліваць дзяржальню пальцамі некалькі дзясяткаў секунд і больш.

Мал. 2. Яркі прыклад пругкага гістарэзісу, паказаны з дапамогай зваротнай крыжавіны.

1 - фігурка павука, 2 - гумка,

3 - ручка, 4 - далонь, 5 - роўнядзь

Праз нейкі час заўважаем, што фігурка рэзка адарвецца ад паверхні і, прыцягнутая парніковай стужкай, хутка вернецца да нас у руку. У гэтым выпадку, як і ў папярэднім эксперыменце, таксама мае месца запаволенае згасанне напругі, т. е. пругкі гістарэзіс. Сілы пругкасці нацягнутай стужкі пераадольваюць сілы счаплення малюнка з паверхняй, якія са часам слабеюць. У выніку постаць вяртаецца ў руку. Матэрыял цацкі, скарыстанай у гэтым досведзе, реолагі завуць глейкапругкі. Гэта назва апраўдана тым, што ён выяўляе як ліпкія ўласцівасці - калі прыліпае да гладкай паверхні, так і пругкія ўласцівасці - дзякуючы якім ён адрываецца ад гэтай паверхні і вяртаецца ў зыходны стан.

Сыходны чалавек

Фота 1. Статуэтка, якая спускаецца па вертыкальнай сцяне, таксама з'яўляецца выдатным прыкладам гістарэзісу пругкасці.

У гэтым вопыце таксама будзе выкарыстоўвацца даступная цацка з глейкапругкага матэрыялу (фота 1). Ён выкананы ў выглядзе фігуркі чалавека ці павука. Кідаем гэтую цацку з разгорнутымі канечнасцямі і звернутай уверх галавой на роўную вертыкальную паверхню, лепш на шкляную, люстраную ці мэблевую сценку. Кінуты прадмет прыліпае да гэтай паверхні. Праз некаторы час, працягласць якога залежыць, у тым ліку, ад ад шурпатасці паверхні і хуткасці кідання верх цацкі адрываецца. Гэта адбываецца ў выніку таго, што абмяркоўвалася раней. пругкі гістарэзіс і дзеянне вагі фігуры, якое замяняе сілу пругкасці рамяня, якая была ў папярэднім досведзе.

Пад дзеяннем вагі якая аддзялілася частка цацкі выгінаецца ўніз і адрываецца далей, пакуль частка зноў не кране вертыкальнай паверхні. Пасля гэтага дотыку пачынаецца наступнае прыклейванне фігуркі да паверхні. У выніку фігура зноў будзе склеена, але ўжо ў становішчы галавой уніз. Працэсы, апісаныя ніжэй, паўтараюцца, пры гэтым фігуркі напераменку адрываюць ногі, а затым галаву. Эфект складаецца ў тым, што постаць апускаецца па вертыкальнай паверхні, здзяйсняючы эфектныя перавароты.

Бягучы пластылін

Мал. 3. Тэст на цякучасць пластыліну

а) зыходная сітуацыя, б) канчатковая сітуацыя;

1 - далонь, 2 - верхняя частка пластыліну,

3 - індыкатар, 4 - перацяжка, 5 - адарваны кавалак пластыліну

У гэтым і ў некалькіх наступных эксперыментах мы будзем выкарыстоўваць пластылін, даступны ў крамах цацак, вядомы як "чарадзейны пластылін" ці "трыкалін". Замешваем кавалак пластыліну ў форме, падобнай на гантэль, даўжынёй каля 4 гл і з дыяметрам таўсцейшых частак у межах 1-2 гл і дыяметрам звужэння каля 5 мм (мал. 3а). Захапляем фармоўку пальцамі за верхні канец таўсцейшай часткі і трымаем нерухома ці падвешваем вертыкальна побач з усталяваным маркерам, якія паказваюць размяшчэнне ніжняга канца таўсцейшай часткі.

Назіраючы за становішчам ніжняга канца пластыліну, адзначаем, што ён павольна рухаецца ўніз. Пры гэтым сярэдняя частка пластыліну сціскаецца. Гэты працэс завецца плынню ці паўзучасцю матэрыялу і складаецца ў павелічэнні яго падаўжэння пад дзеяннем сталай напругі. У нашым выпадку гэтая напруга выклікана вагай ніжняй часткі пластылінавай гантэлі (мал. 3б). З мікраскапічнага пункту гледжання бягучы гэта вынік змены структуры матэрыялу, які падвяргаўся нагрузкам на працягу досыць працяглага часу. У адзін момант трываласць завужанай часткі настолькі малая, што яна ламаецца пад цяжарам адной толькі ніжняй часткі пластыліну. Хуткасць патоку залежыць ад многіх фактараў, у тым ліку ад віду матэрыялу, велічыні і спосабу дадатку да яго напружання.

Пластылін, які мы выкарыстоўваем, надзвычай адчувальны да плыні, і мы можам убачыць гэта няўзброеным вокам ужо праз некалькі дзясяткаў секунд. Варта дадаць, што чароўны пластылін быў вынайдзены выпадкова ў ЗША, падчас Другой сусветнай вайны, калі рабіліся спробы зрабіць сінтэтычны матэрыял, прыдатны для вытворчасці шын для ваеннай тэхнікі. У выніку незавершанай полімерызацыі быў атрыманы матэрыял, у якім некаторая колькасць малекул было незвязаным, а сувязі паміж іншымі малекуламі маглі лёгка мяняць сваё становішча пад уздзеяннем знешніх фактараў. Гэтыя «якія падскокваюць» сувязі спрыяюць дзіўным уласцівасцям які падскоквае пластыліну.

Вандроўны мяч

Мал. 4. Набор для выпрабаванняў пластыліну на расцяканне і рэлаксацыю высілкаў:

а) зыходная сітуацыя, б) канчатковая сітуацыя; 1 - сталёвы шар,

2 - празрысты посуд, 3 - пластылін, 4 - аснова

Цяпер выцісніце чароўны пластылін у невялікую адчыненую зверху празрыстую пасудзіну, пераканаўшыся, што ў ім няма бурбалак паветра (мал. 4а). Вышыня і дыяметр пасудзіны павінны быць некалькі сантыметраў. У цэнтр верхняй паверхні пластыліну пакладзяце сталёвы шарык дыяметрам прыкладна 1,5 гл. Пакідаем пасудзіну з шарыкам сам-насам. Кожныя некалькі гадзін мы назіраем становішча мяча. Заўважым, што ён усё глыбей сыходзіць у пластылін, які, у сваю чаргу, сыходзіць у прастору над паверхняй шарыка.

Па сканчэнні досыць працяглага часу, якое залежыць ад: вагі шарыка, тыпу выкарыстоўванага пластыліну, памеру шарыка і патэльні, тэмпературы навакольнага асяроддзя, мы заўважаем, што шарык дасягае дна патэльні. Прастора над шарам будзе поўнасцю запоўнена пластылінам (мал. 4б). Гэты эксперымент паказвае, што матэрыял цячэ і зняцце стрэсу.

Які скача пластылін

Сфармуйце шарык з чароўнага пластыліну і хутка кіньце яго на цвёрдую паверхню, напрыклад, на падлогу ці сцяну. Мы са здзіўленнем заўважаем, што пластылін адскоквае ад гэтых паверхняў, як пругкі гумовы мячык. Чароўны пластылін - гэта цела, якое можа праяўляць як пластычныя, так і пругкія ўласцівасці. Гэта залежыць ад таго, наколькі хутка на яго будзе ўплываць нагрузка.

Калі напругі прыкладаюцца павольна, як у выпадку замешвання, ён выяўляе пластычныя ўласцівасці. З іншага боку, пры хуткім прыкладанні намаганняў, што адбываецца пры сутыкненні з падлогай ці сцяной, пластылін выяўляе пругкія ўласцівасці. Чароўны пластылін можна коратка назваць пластычна-пругкім целам.

Расцяжны пластылін

Фота 2. Эфект павольнага расцягу чароўнага пластыліну (даўжыня выцягнутага валакна прыкладна 60 гл).

На гэты раз сфармуйце чароўны пластылінавы цыліндр дыяметрам каля 1 гл і даўжынёй некалькі сантыметраў. Вазьміце абодва канца пальцамі правай і левай рук і ўсталюеце валік гарызантальна. Затым павольна разводзім рукі ў бакі па адной прамой лініі, тым самым выклікаючы расцяжэнне цыліндру ў восевым кірунку. Мы адчуваем, што пластылін амаль не аказвае супрацівы, і заўважаем, што ён звужаецца пасярэдзіне.

Даўжыню пластылінавай цыліндру можна павялічваць да некалькіх дзясяткаў сантыметраў, пакуль у яго цэнтральнай частцы не ўтворыцца тонкая нітка, якая з часам парвецца (фота 2). Гэты досвед паказвае, што, павольна прыкладваючы напругу да пластычна-пругкага цела, можна выклікаць вельмі вялікую дэфармацыю, не руйнуючы яго.

Цвёрды пластылін

Чароўны пластылінавы цыліндр падрыхтоўваем гэтак жа, як і ў папярэднім досведзе і сапраўды гэтак жа абхапляем пальцамі яго канцы. Сканцэнтраваўшы сваю ўвагу, максімальна хутка разводзім рукі ў бакі, жадаючы рэзка расцягнуць цыліндр. Атрымліваецца, што ў гэтым выпадку мы адчуваем вельмі высокі супраціў пластыліну, а цыліндр, на здзіўленне, наогул не даўжэе, а ламаецца напалову сваёй даўжыні, як быццам разразаецца нажом (фота 3). Гэты эксперымент таксама паказвае, што характар ​​дэфармацыі пластычна-пругкага цела залежыць ад хуткасці прыкладання напругі.

Пластылін далікатны як шкло

Фота 3. Вынік хуткага расцяжэння чароўнага пластыліну – відаць у шмат разоў меншае падаўжэнне і востры край, які нагадвае расколіну ў далікатным матэрыяле

Гэты досвед яшчэ навочней паказвае, як хуткасць напругі ўплывае на ўласцівасці пластычна-пругкага цела. Сфармуйце з чароўнага пластыліну шар дыяметрам прыкладна 1,5 гл і пакладзяце яго на цвёрдую масіўную падставу, напрыклад, на цяжкую сталёвую пласціну, кавадлу ці бетонную падлогу. Павольна стукніце па мячы малатком вагой не менш за 0,5 кг (мал. 5а). Аказваецца, што ў гэтай сітуацыі шар паводзіць сябе як пластычнае цела і расплюшчваецца пасля падзення на яго малатка (мал. 5б).

Зноў сфармуйце з расплясканага пластыліну шар і пакладзяце яго на талерку, як і раней. Зноў удараем малатком па мячы, але на гэты раз стараемся зрабіць гэта як мага хутчэй (мал. 5в). Апыняецца, пластылінавы шарык у гэтым выпадку паводзіць сябе так, як быццам ён зроблены з далікатнага матэрыялу, напрыклад шкла ці парцаляну, і пры ўдары разлятаецца на кавалкі ва ўсе бакі (мал. 5г).

Цеплавая машына на аптэчных гумках

Напружанне ў реологических матэрыялах можна паменшыць, падвысіўшы іх тэмпературу. Мы будзем выкарыстоўваць гэты эфект у цеплавой машыне з дзіўным прынцыпам дзеяння. Для яго зборкі вам спатрэбяцца: бляшанае якое адкручваецца вечка ад слоічка, тузін або каля таго кароткіх аптэчных гумак, вялікая іголка, прастакутны кавалак тонкага ліставага металу і лямпа з моцна якая награваецца колбай. Канструкцыя матора паказана на рис.6.Для яго зборкі выражыце з вечка сярэднюю частку так, каб атрымалася кольца.

Мал. 5. Спосаб дэманстрацыі пластыліну і далікатных уласцівасцяў пластыліну

а) павольныя ўдары па мячы, б) павольныя ўдары,

в) хуткі ўдар па мячы, г) эфект хуткага ўдару;

1 – пластылінавы шарык, 2 – цвёрдая і масіўная пласціна, 3 – малаток,

v - хуткасць молата

У цэнтр гэтага кольца кладзем іголку, якая з'яўляецца воссю, і надзяваем на яе гумкі так, каб у сярэдзіне сваёй даўжыні яны ўпіраліся ў кольца і былі моцна нацягнутыя. Гумкі павінны размяшчацца сіметрычна на кольцы, такім чынам, атрымліваецца кола са спіцамі, адукаванымі з гумак. Сагніце кавалак ліставога металу, надаўшы яму форму клямара з выцягнутымі плячыма, што дазволіць размясціць паміж імі раней зроблены круг і зачыніць палову яго паверхні. На адным боку кантылевера, у абодвух яго вертыкальных бакоў, які робіцца выраз, які дазваляе размясціць у ім вось кола.

Змесціце вось кола ў выраз апоры. Круцім кола пальцамі і правяраем, ці збалансавана яно, г.зн. спыняецца Ці яно ў любым становішчы. Калі гэта не так, адбалансуйце кола, трохі ссунуўшы месца, дзе гумкі прылягаюць да кольца. Пастаўце клямку на стол і асвятліце якая выступае з яе дужак частка круга моцна якая грэе лямпай. Атрымліваецца, што праз некаторы час кола пачынае круціцца.

Чыннікам гэтага руху з'яўляецца сталая змена становішча цэнтра мас кола ў выніку эфекту, званага реологамі. рэлаксацыя тэрмічнай напругі.

Гэтая рэлаксацыя заснавана на тым факце, што моцна напружаны эластычны матэрыял сціскаецца пры награванні. У нашым рухавіку гэты матэрыял уяўляе сабою аптэчныя гумкі са боку кола, якія выступаюць з кранштэйна кранштэйна і што награваюцца лямпачкай. У выніку цэнтр мас кола ссоўваецца ў бок, якая затуляецца апорнымі рычагамі. Нагрэтыя гумкі ў выніку кручэння кола трапляюць паміж плячыма апоры і астуджаюцца, бо там яны схаваныя ад колбы. Астуджаныя гумкі зноў даўжэюць. Паслядоўнасць апісаных працэсаў забяспечвае бесперапыннае кручэнне кола.

Не толькі эфектныя эксперыменты

Мал. 6. Канструкцыя цеплавой машыны з аптэчных гумак

а) выгляд узбоч,

б) сячэнне восевай плоскасцю; 1 - кольца, 2 - іголка, 3 - гумка аптэчны,

4 – кранштэйн, 5 – выраз у кранштэйне, 6 – лямпачка

Зараз рэалогіі з'яўляецца хутка якая развіваецца вобласцю, якая прадстаўляе цікавасць як для фізікаў, так і для спецыялістаў у галіне тэхнічных навук. Рэалагічныя з'явы ў некаторых сітуацыях могуць аказваць неспрыяльнае ўздзеянне на навакольнае асяроддзе, у якім яны ўзнікаюць, і іх неабходна ўлічваць, напрыклад, пры праектаванні вялікіх сталёвых канструкцый, якія з часам дэфармуюцца. Яны ўзнікаюць у выніку расцяканні матэрыялу пад дзеяннем дзеючых нагрузак і ўласнай вагі.

Дакладныя вымярэнні таўшчыні медных лістоў, якія пакрываюць стромкія дахі і вітражы ў гістарычных цэрквах, паказалі, што таўшчыня гэтых элементаў у ніжняй частцы больш, чым у верхняй. Гэта вынік бягучыяк медзі, так і шкла пад уласнай вагай на працягу некалькіх сотняў гадоў. Рэалагічныя з'явы таксама выкарыстоўваюцца ў шматлікіх сучасных і эканамічных вытворчых тэхналогіях. Прыкладам можа служыць перапрацоўка пластмас. Большасць вырабаў з гэтых матэрыялаў у наш час вырабляюцца метадам экструзіі, выцяжкі і выдзіманага фармавання. Гэта робіцца пасля награвання матэрыялу і аказанні на яго ціску з якая адпавядае выявай абранай хуткасцю. Такім чынам, сярод іншага, фальгі, стрыжняў, труб, валокнаў, а таксама цацак і дэталяў машын складанай формы. Вельмі важнымі перавагамі гэтых метадаў з'яўляюцца таннасць і безадходнасць.