Wann dem Hooke säi Gesetz net méi duer geet ...

Geméiss dem Hooke Gesetz bekannt aus Schoulbicher, soll d'Verlängerung vun engem Kierper direkt proportional zum ugewandte Stress sinn. Wéi och ëmmer, vill Materialien, déi an der moderner Technologie an am Alldag vu grousser Bedeitung sinn, entspriechen dëst Gesetz nëmmen ongeféier oder behuelen sech ganz anescht. Physiker an Ingenieuren soen datt esou Materialien rheologesch Eegeschaften hunn. D'Etude vun dësen Eegeschafte wäert de Sujet vun e puer interessant Experimenter ginn.

Rheologie ass d'Studie vun den Eegeschafte vu Materialien deenen hir Verhalen iwwer d'Theorie vun der Elastizitéit erausgeet, baséiert op dem genannten Hooke Gesetz. Dëst Verhalen ass mat villen interessanten Phänomener verbonnen. Dozou gehéiert besonnesch: d'Verzögerung vum Retour vum Material an hiren ursprénglechen Zoustand no engem Spannungsfall, dh elastesch Hysteresis; Erhéijung vun der Kierperverlängerung bei konstante Stress, soss genannt Flow; oder eng multiple Erhéijung vun der Resistenz géint Verformung an Härheet vun engem ufanks Plastikkierper, bis zum Erscheinungsbild vun Eegeschaften, déi charakteristesch vu bréchege Materialien sinn.

faul Herrscher

Een Enn vun engem Plastiks Lineal 30 cm oder méi laang ass an de Vise Kiefer fixéiert, sou datt de Lineal vertikal ass (Fig. 1). Mir refuséieren den ieweschten Enn vum Lineal aus der Vertikal nëmmen e puer Millimeter a befreien se. Bedenkt datt de fräien Deel vum Lineal e puer Mol ëm d'vertikal Gläichgewiicht Positioun oszilléiert an zréck an säin ursprénglechen Zoustand (Fig. 1a). Déi observéiert Schwéngunge sinn harmonesch, well bei klengen Oflenkungen ass d'Gréisst vun der elastescher Kraaft, déi als Leedungskraaft wierkt, direkt proportional zu der Oflehnung vum Enn vum Lineal. Dëst Verhalen vum Herrscher gëtt vun der Elastizitéitstheorie beschriwwen. 

Reis. 1. Studie vun der elastescher Hysterese mat engem Lineal

1 - Ambulanz,

2 - Vize Kiefer, A - Ofwäichung vum Enn vum Lineal vum Vertikal

Am zweeten Deel vum Experiment béien mir den ieweschten Enn vum Lineal ëm e puer Zentimeter, befreien se a beobachten säi Verhalen (Fig. 1b). Elo geet dëst Enn lues a lues zréck an d'Gläichgewiicht Positioun. Dëst ass wéinst der Iwwerschoss vun der elastescher Limit vum Linealmaterial. Dësen Effekt gëtt genannt elastesch Hysteresis. Et besteet aus dem luesen Retour vum deforméierte Kierper an säin ursprénglechen Zoustand. Wa mir dat lescht Experiment widderhuelen andeems Dir den ieweschten Enn vum Lineal nach méi kippt, fanne mir datt säi Retour och méi lues wäert sinn a bis zu e puer Minutten daueren kann. Zousätzlech wäert de Lineal net genee an déi vertikal Positioun zréckkommen a bleift permanent gebéit. D'Effekter beschriwwen am zweeten Deel vum Experiment sinn nëmmen ee vun rheologie Fuerschung Sujeten.

Retour Vugel oder Spann

Fir déi nächst Erfahrung wäerte mir e bëllegen an einfache Spillsaach benotzen (heiansdo souguer an de Kiosken). Et besteet aus enger flacher Figur an der Form vun engem Vugel oder engem aneren Déier, wéi eng Spann, verbonne mat engem laange Riem mat engem ringfërmege Grëff (Fig. 2a). Dat ganzt Spillsaach ass aus engem elastesche Gummi-ähnlechen Material gemaach, dee liicht klebrig ass. De Band kann ganz einfach gestreckt ginn, seng Längt e puer Mol vergréissert ouni et ze räissen. Mir maachen en Experiment no bei enger glatter Uewerfläch, wéi Spigelglas oder eng Miwwelmauer. Mat de Fanger vun enger Hand, hält de Grëff a maacht eng Welle, doduerch d'Spillsaach op eng glat Uewerfläch ze werfen. Dir wäert feststellen datt d'Figur un d'Uewerfläch hält an d'Band bleift stram. Mir halen de Grëff weider mat eise Fanger fir e puer zéng Sekonnen oder méi.

Reis. 2. E lieweg Beispill vun elastesche Hysteresis, gewise mat engem Retour Kräiz

1 - Spannfiguren, 2 - Gummiband,

3 - Grëff, 4 - Handfläch, 5 - Uewerfläch

No enger Zäit bemierken mir datt d'Figur abrupt vun der Uewerfläch kënnt an, duerch e Wärmeschrumpfband ugezunn, séier an eis Hand zréckkënnt. An dësem Fall, wéi am fréiere Experiment, gëtt et och e luesen Zerfall vun der Spannung, dh elastesch Hysteresis. Déi elastesch Kräfte vum gestreckte Band iwwerwannen d'Kräfte vun der Adhäsioun vum Muster op d'Uewerfläch, déi mat der Zäit schwächen. Als Resultat geet d'Figur zréck an d'Hand. D'Material vum Spillsaach, deen an dësem Experiment benotzt gëtt, gëtt vun Rheologen genannt viskoelastesch. Dësen Numm ass gerechtfäerdegt duerch d'Tatsaach datt et souwuel plakeg Eegeschafte weist - wann et op eng glat Uewerfläch hält, an elastesch Eegeschaften - wéinst deenen et vun dëser Uewerfläch brécht an zréck an säin ursprénglechen Zoustand.

erofgaang Mann

Foto 1. Eng Figur déi eng vertikal Mauer erofgeet ass och e super Beispill vun elastesche Hysteresis.

Dëst Experiment wäert och e liicht verfügbare Spillsaach aus viskoelastesche Material benotzen (Foto 1). Et gëtt an der Form vun enger Figur vun engem Mann oder enger Spann gemaach. Mir werfen dëst Spillsaach mat ofgebauten Gliedmaart an ëmgedréint op enger flächeger vertikaler Uewerfläch, am léifsten op engem Glas, Spigel oder Miwwelmauer. E geworfene Objet hält op dës Uewerfläch. No enger Zäit, d'Dauer vun deem hänkt ënner anerem vun der Rauhheet vun der Uewerfläch an der Geschwindegkeet vum Werp, d'Spëtzt vum Spillsaach of. Dëst geschitt als Resultat vun deem wat virdru diskutéiert gouf. elastesch Hysteresis an d'Aktioun vum Gewiicht vun der Figur, déi d'elastesch Kraaft vum Gürtel ersetzt, déi am fréiere Experiment präsent war.

Ënnert dem Afloss vum Gewiicht biegt den ofgebauten Deel vum Spillsaach erof a brécht weider of, bis deen Deel erëm déi vertikal Uewerfläch beréiert. No dësem Touch fänkt de nächste Kleeblatt vun der Figur op d'Uewerfläch un. Als Resultat gëtt d'Figur erëm gepecht, awer an enger Head-down Positioun. D'Prozesser, déi hei ënnendrënner beschriwwe ginn, ginn widderholl, mat de Figuren ofwiesselnd d'Been an dann de Kapp ofgerappt. Den Effekt ass datt d'Figur laanscht eng vertikal Uewerfläch erofgeet, a spektakulär Flips mécht.

Flësseg plasticine

Reis. 3. Plasticine Flux Test

a) initial Situatioun, b) Finale Situatioun;

1 - palm, 2 - ieweschte Deel vun plasticine,

3 - Indikator, 4 - Konstriktioun, 5 - zerrass Stéck Plasticine

An dësem an e puer spéider Experimenter wäerte mir d'Plasticin benotzen, déi an Spillsaachengeschäfter verfügbar ass, bekannt als "Magie Lehm" oder "Tricolin". Mir kneet e Stéck Plasticine an enger Form ähnlech wéi en Hantel, ongeféier 4 cm laang a mat engem Duerchmiesser vu méi déckeren Deeler innerhalb 1-2 cm an engem Verengungsduerchmiesser vu ronn 5 mm (Fig. 3a). Mir gräifen d'Form mat eise Fanger um ieweschte Enn vum déckeren Deel an halen se onbeweeglech oder hänken se vertikal niewent dem installéierte Marker, deen d'Plaz vum ënneschten Enn vum déckeren Deel ugeet.

Observéiert d'Positioun vum ënneschten Enn vun der Plasticine, bemierken mir datt et lues erof geet. An dësem Fall gëtt de mëttleren Deel vun der Plasticine kompriméiert. Dëse Prozess gëtt de Flow oder de Kreep vum Material genannt a besteet aus der Erhéijung vun der Verlängerung ënner der Handlung vu konstante Stress. An eisem Fall gëtt dëse Stress duerch d'Gewiicht vum ënneschten Deel vun der Plasticine Hantel verursaacht (Fig. 3b). Aus enger mikroskopescher Siicht aktuell Dëst ass d'Resultat vun enger Verännerung vun der Struktur vum Material, dee fir eng genuch laang Zäit belaascht ass. Op ee Punkt ass d'Kraaft vum verengten Deel sou kleng, datt et eleng ënner dem Gewiicht vum ënneschten Deel vun der Plasticine brécht. De Flowrate hänkt vu ville Faktoren of, dorënner d'Art vum Material, de Betrag an d'Method fir Stress opzebréngen.

D'Plasticin, déi mir benotzen, ass extrem sensibel fir de Flux, a mir kënnen et mat bloussem A an nëmmen e puer Zénger Sekonnen gesinn. Et ass derwäert derzou bäizedroen datt Zauber Lehm duerch Accident an den USA erfonnt gouf, während dem Zweete Weltkrich, wéi Versuche gemaach goufen fir en synthetescht Material ze produzéieren, dee gëeegent ass fir d'Produktioun vu Pneuen fir militäresch Gefierer. Als Resultat vun der onvollstänneger Polymeriséierung gouf e Material kritt, an deem eng gewëssen Unzuel vu Molekülen net gebonnen sinn, a Verbindungen tëscht anere Moleküle kënnen hir Positioun ënner dem Afloss vun externe Faktoren einfach änneren. Dës "bouncing" Linken droen zu den erstaunleche Properties vum Bouncing Lehm bäi.

verschwonnen Ball

Reis. 4. Set fir Plasticine ze testen fir d'Verbreedung a Stress Entspanung:

a) initial Situatioun, b) Finale Situatioun; 1 - Stahlkugel,

2 - transparent Behälter, 3 - Plasticine, 4 - Basis

Dréckt elo d'Magie Plasticine an e klengt transparente Behälter, op der Spëtzt op, vergewëssert Iech datt et keng Loftblasen dran ass (Fig. 4a). D'Héicht an den Duerchmiesser vum Schiff sollt e puer Zentimeter sinn. Setzt e Stahlkugel ongeféier 1,5 cm Duerchmiesser an d'Mëtt vun der ieweschter Uewerfläch vun der Plasticine, Mir loossen d'Behälter mat der Kugel eleng. All puer Stonnen beobachte mir d'Positioun vum Ball. Bedenkt datt et méi déif a méi déif an d'Plasticine geet, déi am Tour an de Raum iwwer der Uewerfläch vum Ball geet.

No enger genuch laanger Zäit, déi hänkt dovun of: d'Gewiicht vum Kugel, d'Art vu Plasticine déi benotzt gëtt, d'Gréisst vum Kugel an d'Pan, d'Temperatur vun der Ëmgéigend, bemierken mir datt de Ball um Enn vun der Pan erreecht. De Raum iwwer de Ball gëtt komplett mat Plasticine gefüllt (Fig. 4b). Dëst Experiment weist datt d'Material fléisst an Stress Relief.

Sprangen plasticine

Form e Ball vun Zauberspiller a werfen se séier op eng haart Uewerfläch wéi de Buedem oder Mauer. Mir bemierken mat Iwwerraschung datt d'Plasticin vun dëse Flächen spréngt wéi e bouncy Gummiball. Magic Clay ass e Kierper dee souwuel plastesch wéi och elastesch Eegeschafte kann weisen. Et hänkt dovun of wéi séier d'Laascht drop handelt.

Wann d'Belaaschtunge lues ugewannt ginn, wéi am Fall vum Knéien, weist et plastesch Eegeschaften. Op der anerer Säit, mat der séierer Uwendung vu Kraaft, déi geschitt wann Dir mat engem Buedem oder Mauer kollidéiert, weist d'Plastilin elastesch Eegeschaften. Zauber Lehm kann kuerz e Plastik-elastesche Kierper genannt ginn.

Tensile plasticine

Foto 2. Den Effekt vu luesen Ausdehnung vu Magie Lehm (d'Längt vun der gestreckter Faser ass ongeféier 60 cm)

Dës Kéier bilden e magesche Plasticine-Zylinder ongeféier 1 cm Duerchmiesser an e puer Zentimeter laang. Huelt béid Enden mat de Fanger vun Ärer rietser a lénkser Hänn a setzt d'Roller horizontal. Da verbreet mir eis Waffen lues a lues op d'Säiten an enger riichter Linn, doduerch datt den Zylinder an d'axial Richtung streckt. Mir mengen datt d'Plasticine bal keng Resistenz bitt, a mir bemierken datt et an der Mëtt schmuel ass.

D'Längt vum Plastikszylinder kann op e puer Zénger Zentimeter erhéicht ginn, bis en dënnen Fuedem a sengem zentrale Deel geformt gëtt, dee mat der Zäit briechen (Foto 2). Dës Erfahrung weist, datt duerch lues a lues Stress op e plastesch-elastesche Kierper eng ganz grouss Deformatioun verursaache kann ouni se ze zerstéieren.

schwéier plasticine

Mir preparéieren den magesche Plasticine-Zylinder op déiselwecht Manéier wéi am fréiere Experiment a wéckelen eis Fanger ëm seng Enden op déiselwecht Manéier. Nodeems mir eis Opmierksamkeet konzentréiert hunn, verbreet mir eis Waffen sou séier wéi méiglech op d'Säiten, wëllen den Zylinder schaarf strecken. Et stellt sech eraus datt mir an dësem Fall eng ganz héich Resistenz vu Plastinin fillen, an den Zylinder, iwwerraschend, verlängert sech guer net, awer brécht an der Halschent vun der Längt, wéi wann et mat engem Messer geschnidden ass (Foto 3). Dëst Experiment weist och datt d'Natur vun der Verformung vun engem plastesche-elastesche Kierper vun der Taux vun der Stressapplikatioun hänkt.

Plasticine ass fragil wéi Glas

Foto 3. D'Resultat vun der rapider Ausdehnung vun magescher Plastline - Dir kënnt vill Mol manner Verlängerung an e scharfen Rand gesinn, wéi e Rëss an engem fragile Material.

Dëst Experiment weist nach méi kloer wéi de Stressquote d'Eegeschafte vun engem plastesch-elastesche Kierper beaflosst. Maacht e Kugel mat engem Duerchmiesser vu ronn 1,5 cm aus Zauberlehm a setzt se op eng zolidd, massiv Basis, wéi eng schwéier Stahlplack, Ambolt oder Betonbuedem. Lues a lues de Ball mat engem Hammer op d'mannst 0,5 kg schloen (Fig. 5a). Et stellt sech eraus datt an dëser Situatioun de Ball sech wéi e Plastikkierper verhält a flaach no engem Hammer drop fällt (Fig. 5b).

Form vun der ofgeplatten Plasticine nees eng Kugel a setzt se wéi virdrun op de Plack. Erëm hu mir de Ball mat engem Hammer geschloen, awer dës Kéier probéieren mir et esou séier wéi méiglech ze maachen (Fig. 5c). Et stellt sech eraus datt d'Plasticinball an dësem Fall sech verhält, wéi wann et aus engem fragile Material, wéi Glas oder Porzellan, gemaach gëtt, a beim Impakt zerstéiert se a Stécker an all Richtungen (Fig. 5d).

Thermesch Maschinn op pharmazeuteschen Gummistécker

Stress an rheologesche Materialien kënne reduzéiert ginn andeems se hir Temperatur erhéijen. Mir wäerten dësen Effekt an engem Wärmemotor mat engem iwwerraschende Prinzip vun der Operatioun benotzen. Fir et ze montéieren, braucht Dir: eng Zinn Jar Schrauwen Cap, eng Dosen oder esou kuerz Gummistécker Bands, eng grouss Nadel, e véiereckege Stéck dënn Blech, an eng Luucht mat engem ganz waarme Knollen. Den Design vum Motor gëtt an der Fig.

Reis. 5. Method fir d'Demonstratioun vu Plastina a bréchege Properties vu Plastinin

a) lues de Ball schloen b) lues schloen

c) e séieren Hit op de Ball, d) den Effekt vun engem séieren Hit;

1 - Plasticine Kugel, 2 - massiv a massiv Plack, 3 - Hammer,

v - Hammergeschwindegkeet

Am Zentrum vun dësem Ring setzen mir eng Nadel, déi d'Achs ass, a setzen elastesche Bands op, sou datt se an der Mëtt vu senger Längt géint de Ring riichten a staark ausgedehnt ginn. D'elastesch Bänner solle symmetresch op de Ring plazéiert ginn, sou datt e Rad mat Speechen aus elastesche Bänner geformt gëtt. Biede e Stéck Blech an eng Krampongform mat den Äerm ausgestreckt, wat Iech erlaabt de virdru gemaachte Krees tëscht hinnen ze placéieren an d'Halschent vu senger Uewerfläch ze decken. Op enger Säit vum Cantilever, op béide vu senge vertikale Kanten, maache mir e Ausschnëtt, deen eis erlaabt d'Radachs dran ze setzen.

Setzt d'Radachs am Ausschnëtt vun der Ënnerstëtzung. Mir dréinen d'Rad mat de Fanger a kucken ob et ausgeglach ass, d.h. hält et an all Positioun op. Wann dat net de Fall ass, balanséiert d'Rad andeems Dir d'Plaz liicht verréckelt wou d'Gummibänner de Rank treffen. Setzt d'Klammer op den Dësch a beliicht den Deel vum Krees, deen aus sengen Bogen erausstécht, mat enger ganz waarmer Lampe. Et stellt sech eraus datt no enger Zäit d'Rad fänkt un ze dréinen.

De Grond fir dës Bewegung ass déi konstant Ännerung vun der Positioun vum Massezentrum vum Rad als Resultat vun engem Effekt genannt Rheologen. thermesch Stress Entspanung.

Dës Entspanung baséiert op der Tatsaach, datt en héich belaaschte elastesche Material kontraktéiert wann se erhëtzt ginn. An eisem Motor ass dëst Material Rad-Säit Gummibänner, déi aus der Klammer Klammer erausstinn an duerch eng Glühbir erhëtzt ginn. Als Resultat gëtt d'Masszentrum vum Rad op d'Säit geréckelt, déi vun den Ënnerstëtzungsarme bedeckt ass. Als Resultat vun der Rotatioun vum Rad falen déi erhëtzt Gummibänner tëscht de Schëlleren vun der Ënnerstëtzung a killen of, well se do aus der Glühbir verstoppt sinn. Ofgekillte Gummi verlängeren erëm. D'Sequenz vun de beschriwwene Prozesser garantéiert déi kontinuéierlech Rotatioun vum Rad.

Net nëmmen spektakulär Experimenter

Reis. 6. Den Design vun engem Wärmemotor aus pharmazeuteschen Gummibänner

a) Säit Vue

b) Sektioun duerch eng axial Fliger; 1 - Ring, 2 - Nadel, 3 - pharmazeuteschen Eraser,

4 - Klammer, 5 - Ausschnëtt an der Klammer, 6 - Glühbir

Elo rheologie ass e séier Entwécklungsfeld vun Interesse fir Physiker a Spezialisten am Beräich vun den technesche Wëssenschaften. Rheologesch Phänomener kënnen an e puer Situatiounen en negativen Effekt op d'Ëmwelt hunn, an där se optrieden, a musse berécksiichtegt ginn, zum Beispill, wann Dir grouss Stolkonstruktiounen designt, déi mat der Zäit deforméieren. Si entstinn aus der Verbreedung vum Material ënner der Handlung vun handele Lasten a sengem eegene Gewiicht.

Genau Miessunge vun der Dicke vun de Kupferplacke, déi géi Dach a Glasfënsteren an historesche Kierchen iwwerdecken, hu gewisen datt dës Elementer ënnen méi déck sinn wéi uewen. Dëst ass d'Resultat aktuellsouwuel Kupfer a Glas ënner hirem eegene Gewiicht fir e puer honnert Joer. Rheologesch Phänomener ginn och a ville modernen a wirtschaftleche Fabrikatiounstechnologien benotzt. E Beispill ass Plastikverwäertung. Déi meescht Produkter aus dëse Materialien ginn am Moment duerch Extrusioun, Zeechnen a Schlagformen hiergestallt. Dëst gëtt gemaach nodeems d'Material erhëtzt gëtt an den Drock op e passenden ausgewielten Taux applizéiert gëtt. Sou ënner anerem Folie, Staang, Päifen, Faseren, souwéi Spillsaachen a Maschinnedeeler mat komplexe Formen. Ganz wichteg Virdeeler vun dëse Methoden sinn niddreg Käschten an Net-Offall.