Keď Hookov zákon už nestačí...

Podľa Hookovho zákona známeho zo školských učebníc má byť predĺženie telesa priamo úmerné pôsobiacemu namáhaniu. Mnohé materiály, ktoré majú v moderných technológiách a každodennom živote veľký význam, však tomuto zákonu zodpovedajú len približne alebo sa správajú úplne inak. Fyzici a inžinieri tvrdia, že takéto materiály majú reologické vlastnosti. Štúdium týchto vlastností bude predmetom niekoľkých zaujímavých experimentov.

Reológia je náuka o vlastnostiach materiálov, ktorých správanie presahuje teóriu pružnosti založenú na spomínanom Hookovom zákone. Toto správanie je spojené s mnohými zaujímavými javmi. Patria sem najmä: oneskorenie návratu materiálu do pôvodného stavu po poklese napätia, t.j. elastická hysterézia; zvýšenie predĺženia tela pri konštantnom namáhaní, inak nazývané tok; alebo viacnásobné zvýšenie odolnosti voči deformácii a tvrdosti pôvodne plastového telesa až po objavenie sa vlastností charakteristických pre krehké materiály.

lenivý vládca

Jeden koniec plastového pravítka s dĺžkou 30 cm alebo viac je upevnený v čeľustiach zveráka tak, aby bolo pravítko vertikálne (obr. 1). Odmietneme horný koniec pravítka od kolmice len o niekoľko milimetrov a uvoľníme ho. Všimnite si, že voľná časť pravítka niekoľkokrát osciluje okolo vertikálnej rovnovážnej polohy a vracia sa do pôvodného stavu (obr. 1a). Pozorované kmity sú harmonické, keďže pri malých výchylkách je veľkosť elastickej sily pôsobiacej ako vodiaca sila priamo úmerná výchylke konca pravítka. Toto správanie pravítka popisuje teória elasticity. 

Ryža. 1. Štúdium elastickej hysterézie pomocou pravítka

1 – ambulancia,

2 - čeľuste zveráka, A - odchýlka konca pravítka od vertikály

V druhej časti experimentu vychýlime horný koniec pravítka o niekoľko centimetrov, uvoľníme ho a pozorujeme jeho správanie (obr. 1b). Teraz sa tento koniec pomaly vracia do rovnovážnej polohy. Je to spôsobené prekročením hranice pružnosti materiálu pravítka. Tento efekt sa nazýva elastická hysterézia. Spočíva v pomalom návrate deformovaného telesa do pôvodného stavu. Ak tento posledný pokus zopakujeme ešte viac naklonením horného konca pravítka, zistíme, že aj jeho návrat bude pomalší a môže trvať až niekoľko minút. Okrem toho sa pravítko nevráti presne do zvislej polohy a zostane trvalo ohnuté. Účinky opísané v druhej časti experimentu sú len jedným z nich subjekty výskumu reológie.

Vracajúci sa vták alebo pavúk

Pre ďalšiu skúsenosť nám poslúži lacná a ľahko kúpiť hračka (niekedy aj v kioskoch). Pozostáva z plochej figúrky v podobe vtáka alebo iného zvieraťa, napríklad pavúka, spojenej dlhým popruhom s rúčkou v tvare krúžku (obr. 2a). Celá hračka je vyrobená z pružného materiálu podobného gume, ktorý je na dotyk mierne lepkavý. Páska sa dá veľmi ľahko natiahnuť, pričom sa jej dĺžka niekoľkokrát zväčší bez toho, aby sa roztrhla. Experiment vykonávame v blízkosti hladkého povrchu, ako je zrkadlové sklo alebo nábytková stena. Prstami jednej ruky uchopte rukoväť a urobte vlnu, čím hračku prehodíte na hladký povrch. Všimnete si, že figúrka sa prilepí na povrch a páska zostane napnutá. Pokračujeme v držaní rukoväte prstami niekoľko desiatok sekúnd alebo viac.

Ryža. 2. Živý príklad elastickej hysterézie zobrazený pomocou spätného kríža

1 - figúrka pavúka, 2 - gumička,

3 - rukoväť, 4 - dlaň, 5 - povrch

Po nejakom čase si všimneme, že figúrka sa náhle odlepí od povrchu a pritiahnutá teplom zmršťovacou páskou sa rýchlo vráti do našej ruky. V tomto prípade, rovnako ako v predchádzajúcom experimente, dochádza tiež k pomalému poklesu napätia, t.j. elastickej hysteréze. Elastické sily napnutej pásky prekonávajú sily priľnavosti vzoru k povrchu, ktoré sa časom oslabujú. V dôsledku toho sa postava vráti do ruky. Materiál hračky použitej v tomto experimente nazývajú reológovia viskoelastické. Tento názov je odôvodnený tým, že vykazuje ako priľnavé vlastnosti - keď sa prilepí na hladký povrch, tak aj vlastnosti elastické - vďaka ktorým sa od tohto povrchu odlepí a vráti sa do pôvodného stavu.

zostupujúci človek

Fotografia 1. Figúrka klesajúca po zvislej stene je tiež skvelým príkladom elastickej hysterézie.

Pri tomto experimente bude použitá aj ľahko dostupná hračka z viskoelastického materiálu (foto 1). Vyrába sa vo forme postavy muža alebo pavúka. Túto hračku hádžeme rozloženými končatinami a otočenú hore nohami na rovnú zvislú plochu, najlepšie na sklo, zrkadlo alebo nábytkovú stenu. Na tento povrch sa prilepí odhodený predmet. Po určitom čase, ktorého trvanie závisí okrem iného od drsnosti povrchu a rýchlosti hádzania, sa vrchná časť hračky odlepí. Stáva sa to v dôsledku toho, čo bolo diskutované vyššie. elastická hysterézia a pôsobením hmotnosti postavy, ktorá nahrádza pružnú silu opasku, ktorá bola prítomná v predchádzajúcom experimente.

Pod vplyvom hmotnosti sa oddelená časť hračky ohýba nadol a ďalej sa odlamuje, kým sa časť opäť nedotkne zvislého povrchu. Po tomto dotyku začína ďalšie lepenie figúrky na plochu. V dôsledku toho bude figúrka opäť prilepená, ale v polohe hlavou dole. Nižšie opísané procesy sa opakujú, pričom postavy striedavo odtrhávajú nohy a potom hlavu. Výsledkom je, že postava klesá pozdĺž vertikálneho povrchu a robí veľkolepé prevrátenia.

Tekutá plastelína

Ryža. 3. Test toku plastelíny

a) počiatočná situácia, b) konečná situácia;

1 - dlaň, 2 - horná časť plastelíny,

3 - indikátor, 4 - zúženie, 5 - roztrhnutý kus plastelínu

V tomto a niekoľkých nasledujúcich experimentoch použijeme plastelínu dostupnú v hračkárstvach, známu ako „magická hlina“ alebo „tricolín“. Uhnetieme kúsok plastelíny v tvare činky, asi 4 cm dlhý a s priemerom hrubších častí do 1-2 cm a zužujúcim sa priemerom asi 5 mm (obr. 3a). Výlisek chytíme prstami za horný koniec hrubšieho dielu a nehybne ho držíme alebo zvislo zavesíme vedľa inštalovanej fixky označujúcej umiestnenie spodného konca hrubšieho dielu.

Pri sledovaní polohy spodného konca plastelíny si všimneme, že sa pomaly pohybuje nadol. V tomto prípade je stredná časť plastelínu stlačená. Tento proces sa nazýva tok alebo tečenie materiálu a spočíva vo zvyšovaní jeho predĺženia pri pôsobení konštantného napätia. V našom prípade je toto namáhanie spôsobené hmotnosťou spodnej časti plastelínovej činky (obr. 3b). Z mikroskopického hľadiska prúd je to výsledok zmeny štruktúry materiálu, ktorý je dostatočne dlhý čas zaťažený. V jednom momente je pevnosť zúženej časti taká malá, že sa pod ťarchou spodnej časti samotnej plastelíny zlomí. Prietok závisí od mnohých faktorov, vrátane typu materiálu, množstva a spôsobu namáhania.

Nami používaná plastelína je mimoriadne citlivá na stekanie a voľným okom ju vidíme už za pár desiatok sekúnd. Je vhodné dodať, že magická hlina bola vynájdená náhodou v Spojených štátoch amerických, počas XNUMX. svetovej vojny, kedy sa robili pokusy vyrobiť syntetický materiál vhodný na výrobu pneumatík pre vojenské vozidlá. V dôsledku neúplnej polymerizácie sa získal materiál, v ktorom bol určitý počet molekúl neviazaný a väzby medzi inými molekulami mohli ľahko zmeniť svoju polohu pod vplyvom vonkajších faktorov. Tieto „skákacie“ články prispievajú k úžasným vlastnostiam skákacej hliny.

zatúlaná lopta

Ryža. 4. Sada na testovanie plastelíny na rozotieranie a uvoľnenie stresu:

a) počiatočná situácia, b) konečná situácia; 1 - oceľová guľa,

2 - priehľadná nádoba, 3 - plastelína, 4 - základňa

Teraz vyžmýkajte čarovnú plastelínu do malej priehľadnej nádobky, hore otvorenej, pričom sa uistite, že v nej nie sú žiadne vzduchové bubliny (obr. 4a). Výška a priemer nádoby by mali byť niekoľko centimetrov. Do stredu hornej plochy plastelíny položíme oceľovú guľu s priemerom asi 1,5 cm, nádobu s guľôčkou necháme na pokoji. Každých pár hodín sledujeme polohu lopty. Všimnite si, že ide hlbšie a hlbšie do plastelíny, ktorá zase ide do priestoru nad povrchom lopty.

Po dostatočne dlhom čase, ktorý závisí od: hmotnosti gule, druhu použitej plastelíny, veľkosti gule a panvice, okolitej teploty, si všimneme, že gulička siaha až na dno panvice. Priestor nad loptou bude úplne vyplnený plastelínou (obr. 4b). Tento experiment ukazuje, že materiál tečie a zmierniť stres.

Skákajúca plastelína

Vytvorte guľu z magického cesta a rýchlo ju hoďte na tvrdý povrch, ako je podlaha alebo stena. S prekvapením si všimneme, že plastelína sa od týchto plôch odráža ako skákajúca gumená loptička. Magická hlina je teleso, ktoré môže vykazovať plastické aj elastické vlastnosti. Záleží na tom, ako rýchlo naň bude pôsobiť záťaž.

Pri pomalom namáhaní, ako v prípade miesenia, vykazuje plastické vlastnosti. Na druhej strane, pri rýchlom pôsobení sily, ku ktorej dochádza pri náraze na podlahu alebo stenu, plastelína vykazuje elastické vlastnosti. Magická hlina sa dá stručne nazvať plasticko-elastické telo.

Ťahová plastelína

Foto 2. Efekt pomalého naťahovania magickej hliny (dĺžka natiahnutého vlákna je cca 60 cm)

Tentokrát vytvarujte čarovný valec z plastelíny s priemerom asi 1 cm a dĺžkou niekoľko centimetrov. Vezmite oba konce prstami pravej a ľavej ruky a nastavte valček vodorovne. Potom pomaly rozpažíme ruky do strán v jednej priamke, čím spôsobíme natiahnutie valca v axiálnom smere. Máme pocit, že plastelína nekladie takmer žiadny odpor a všimneme si, že sa v strede zužuje.

Dĺžku plastelínového valca je možné zväčšiť na niekoľko desiatok centimetrov, kým sa v jeho strednej časti nevytvorí tenká niť, ktorá sa časom pretrhne (foto 2). Táto skúsenosť ukazuje, že pomalým namáhaním plasticko-elastického telesa je možné spôsobiť veľmi veľkú deformáciu bez toho, aby sa zničilo.

tvrdá plastelína

Čarovný plastelínový valec pripravíme rovnako ako v predchádzajúcom pokuse a jeho konce omotáme prstami rovnako. Po sústredení pozornosti sme čo najrýchlejšie roztiahli ruky do strán, aby sme valec prudko natiahli. Ukazuje sa, že v tomto prípade cítime veľmi vysoký odpor plastelíny a valec sa prekvapivo vôbec nepredlžuje, ale zlomí sa na polovicu svojej dĺžky, ako keby bol rezaný nožom (foto 3). Tento experiment tiež ukazuje, že povaha deformácie plasticko-elastického telesa závisí od rýchlosti pôsobenia napätia.

Plastelína je krehká ako sklo

Foto 3. Výsledok rýchleho naťahovania magickej plastelíny - je vidieť mnohonásobne menšie predĺženie a ostrú hranu, pripomínajúcu prasklinu v krehkom materiáli

Tento experiment ešte jasnejšie ukazuje, ako miera napätia ovplyvňuje vlastnosti plasticko-elastického telesa. Z magickej hliny vytvarujte guľu s priemerom asi 1,5 cm a položte ju na pevný, masívny podklad, ako je ťažká oceľová platňa, nákova alebo betónová podlaha. Pomaly udierajte do lopty kladivom s hmotnosťou najmenej 0,5 kg (obr. 5a). Ukazuje sa, že v tejto situácii sa loptička správa ako plastové telo a po páde kladiva sa sploští (obr. 5b).

Sploštenú plastelínu opäť vytvarujte do gule a položte ju na plech ako predtým. Opäť udrieme loptičku kladivom, ale tentokrát sa to snažíme urobiť čo najrýchlejšie (obr. 5c). Ukazuje sa, že plastelínová guľa sa v tomto prípade správa, ako keby bola vyrobená z krehkého materiálu, akým je sklo alebo porcelán, a pri náraze sa roztriešti na kúsky vo všetkých smeroch (obr. 5d).

Tepelný stroj na farmaceutických gumičkách

Napätie v reologických materiáloch možno znížiť zvýšením ich teploty. Tento efekt využijeme v tepelnom motore s prekvapivým princípom činnosti. Na jej zostavenie budete potrebovať: skrutkovací uzáver z plechovej nádoby, asi tucet krátkych gumičiek, veľkú ihlu, obdĺžnikový kus tenkého plechu a lampu s veľmi horúcou žiarovkou. Konštrukcia motora je znázornená na obr. 6. Pri montáži vyrežte strednú časť z krytu tak, aby ste získali krúžok.

Ryža. 5. Spôsob demonštrácie plastelíny a krehkých vlastností plastelíny

a) pomalý odpal loptičky b) pomalý odpal

c) rýchly úder do lopty, d) účinok rýchleho úderu;

1 - plastelínová guľa, 2 - pevná a masívna doska, 3 - kladivo,

v - rýchlosť kladiva

Do stredu tohto krúžku navlečieme ihlu, ktorá je osou a na ňu navlečieme gumičky tak, aby v strede svojej dĺžky priliehali k krúžku a boli silne natiahnuté. Elastické pásy by mali byť umiestnené symetricky na prstenci, čím sa získa koleso s lúčmi vytvorenými z elastických pásov. Ohnite kus plechu do tvaru mačky s natiahnutými ramenami, čo vám umožní umiestniť predtým vytvorený kruh medzi ne a pokryť polovicu jeho povrchu. Na jednej strane konzoly, na oboch jej zvislých okrajoch, urobíme výrez, ktorý nám umožní umiestniť do nej osku kolesa.

Umiestnite osku kolesa do výrezu podpery. Prstom otáčame koleso a kontrolujeme, či je vyvážené, t.j. zastaví sa v akejkoľvek polohe. Ak tomu tak nie je, vyvážte koleso miernym posunutím miesta, kde sa gumičky stretávajú s krúžkom. Položte držiak na stôl a osvetlite časť kruhu vyčnievajúcu z jeho oblúkov veľmi horúcou lampou. Ukazuje sa, že po chvíli sa koleso začne otáčať.

Dôvodom tohto pohybu je neustála zmena polohy ťažiska kolesa v dôsledku efektu nazývaného reológovia. relaxácia tepelného stresu.

Táto relaxácia je založená na skutočnosti, že vysoko namáhaný elastický materiál sa pri zahrievaní sťahuje. V našom motore sú týmto materiálom gumové pásy na strane kolesa vyčnievajúce z konzoly a vyhrievané žiarovkou. V dôsledku toho sa ťažisko kolesa posunie na stranu pokrytú opornými ramenami. V dôsledku otáčania kolesa vyhrievané gumené pásy padajú medzi ramená podpery a ochladzujú sa, pretože tam sú skryté pred žiarovkou. Chladené gumy sa opäť predĺžia. Postupnosť opísaných procesov zabezpečuje nepretržité otáčanie kolesa.

Nielen veľkolepé experimenty

Ryža. 6. Konštrukcia tepelného motora z farmaceutických gumičiek

a) bočný pohľad

b) rez axiálnou rovinou; 1 - krúžok, 2 - ihla, 3 - farmaceutická guma,

4 - držiak, 5 - výrez v držiaku, 6 - žiarovka

Teraz reológia je rýchlo sa rozvíjajúcou oblasťou záujmu tak fyzikov, ako aj odborníkov v oblasti technických vied. Reologické javy môžu mať v niektorých situáciách nepriaznivý vplyv na prostredie, v ktorom sa vyskytujú a treba s nimi počítať napríklad pri navrhovaní veľkých oceľových konštrukcií, ktoré sa časom deformujú. Vyplývajú z rozširovania materiálu pôsobením pôsobiacich zaťažení a vlastnej hmotnosti.

Presné merania hrúbky medených plechov pokrývajúcich strmé strechy a vitráže v historických kostoloch ukázali, že tieto prvky sú v spodnej časti hrubšie ako v hornej časti. Toto je výsledok prúdmeď aj sklo vlastnou váhou niekoľko stoviek rokov. Reologické javy sa využívajú aj v mnohých moderných a ekonomických výrobných technológiách. Príkladom je recyklácia plastov. Väčšina produktov vyrobených z týchto materiálov sa v súčasnosti vyrába extrúziou, ťahaním a vyfukovaním. Toto sa robí po zahriatí materiálu a vyvinutí tlaku naň vhodne zvolenou rýchlosťou. Teda okrem iného fólie, tyče, rúrky, vlákna, ale aj hračky a tvarovo zložité súčiastky strojov. Veľmi dôležitými výhodami týchto metód sú nízke náklady a neplytvanie.