Wakati Sheria ya Hooke haitoshi tena...

Kulingana na sheria ya Hooke inayojulikana kutoka kwa vitabu vya kiada vya shule, urefu wa mwili unapaswa kuwa sawa na mkazo unaotumika. Hata hivyo, nyenzo nyingi ambazo zina umuhimu mkubwa katika teknolojia ya kisasa na maisha ya kila siku takriban tu kuzingatia sheria hii au kuishi tofauti kabisa. Wanafizikia na wahandisi wanasema kwamba nyenzo hizo zina mali ya rheological. Utafiti wa mali hizi utakuwa somo la majaribio ya kuvutia.

Rheolojia ni utafiti wa sifa za nyenzo ambazo tabia yake inapita zaidi ya nadharia ya unyumbufu kulingana na sheria iliyotajwa hapo juu ya Hooke. Tabia hii inahusishwa na matukio mengi ya kuvutia. Hizi ni pamoja na, hasa: kuchelewa kwa kurudi kwa nyenzo kwa hali yake ya awali baada ya kushuka kwa voltage, yaani, hysteresis ya elastic; kuongezeka kwa urefu wa mwili kwa mafadhaiko ya mara kwa mara, vinginevyo huitwa mtiririko; au ongezeko nyingi la upinzani wa deformation na ugumu wa mwili wa awali wa plastiki, hadi kuonekana kwa tabia ya tabia ya vifaa vya brittle.

mtawala mvivu

Mwisho mmoja wa mtawala wa plastiki 30 cm au zaidi kwa muda mrefu umewekwa kwenye taya za vise ili mtawala awe wima (Mchoro 1). Tunakataa mwisho wa juu wa mtawala kutoka kwa wima kwa milimita chache tu na kuifungua. Kumbuka kwamba sehemu ya bure ya mtawala huzunguka mara kadhaa karibu na nafasi ya usawa wa wima na inarudi kwenye hali yake ya awali (Mchoro 1a). Oscillations inayozingatiwa ni ya usawa, kwa kuwa kwa upungufu mdogo ukubwa wa nguvu ya elastic inayofanya kama nguvu inayoongoza inalingana moja kwa moja na kupotoka kwa mwisho wa mtawala. Tabia hii ya mtawala inaelezwa na nadharia ya elasticity. 

Mchele. 1. Utafiti wa hysteresis ya elastic kwa kutumia mtawala

1 - gari la wagonjwa,

2 - vise taya, A - kupotoka kwa mwisho wa mtawala kutoka kwa wima

Katika sehemu ya pili ya jaribio, tunapotosha mwisho wa juu wa mtawala kwa sentimita chache, tuachie, na uangalie tabia yake (Mchoro 1b). Sasa mwisho huu unarudi polepole kwenye nafasi ya usawa. Hii ni kutokana na ziada ya kikomo cha elastic cha nyenzo za mtawala. Athari hii inaitwa hysteresis ya elastic. Inajumuisha kurudi polepole kwa mwili ulioharibika kwa hali yake ya asili. Tukirudia jaribio hili la mwisho kwa kuinamisha ncha ya juu ya rula hata zaidi, tutapata kwamba urejesho wake pia utakuwa wa polepole na unaweza kuchukua hadi dakika kadhaa. Kwa kuongeza, mtawala hautarudi haswa kwenye nafasi ya wima na itabaki kuinama kabisa. Madhara yaliyoelezwa katika sehemu ya pili ya jaribio ni mojawapo tu ya hayo masomo ya utafiti wa rheolojia.

Kurudi ndege au buibui

Kwa matumizi yanayofuata, tutatumia toy ya bei nafuu na rahisi kununua (wakati mwingine inapatikana hata kwenye vioski). Inajumuisha sanamu ya gorofa kwa namna ya ndege au mnyama mwingine, kama buibui, iliyounganishwa na kamba ndefu na kushughulikia umbo la pete (Mchoro 2a). Toy nzima imetengenezwa kwa nyenzo sugu, inayofanana na mpira ambayo inanata kidogo kwenye mguso. Tepi inaweza kunyooshwa kwa urahisi sana, ikiongeza urefu wake mara kadhaa bila kuivunja. Tunafanya majaribio karibu na uso laini, kama vile kioo cha kioo au ukuta wa fanicha. Kwa vidole vya mkono mmoja, shikilia kushughulikia na kufanya wimbi, na hivyo kutupa toy kwenye uso laini. Utaona kwamba sanamu inashikamana na uso na mkanda unakaa taut. Tunaendelea kushikilia kushughulikia kwa vidole kwa makumi kadhaa ya sekunde au zaidi.

Mchele. 2. Mfano wazi wa hysteresis ya elastic, iliyoonyeshwa kwa kutumia msalaba wa kurudi

1 - sanamu ya buibui, 2 - bendi ya mpira,

3 - kushughulikia, 4 - mitende, 5 - uso

Baada ya muda fulani, tunaona kwamba sanamu itatoka kwa ghafla juu ya uso na, ikivutiwa na mkanda wa kupungua kwa joto, itarudi haraka mikononi mwetu. Katika kesi hii, kama katika jaribio la awali, pia kuna kuoza polepole kwa voltage, yaani, hysteresis ya elastic. Nguvu za elastic za mkanda ulioenea hushinda nguvu za kujitoa kwa muundo kwenye uso, ambazo hudhoofisha kwa muda. Matokeo yake, takwimu inarudi kwa mkono. Nyenzo za toy iliyotumiwa katika jaribio hili inaitwa na rheologists mnato. Jina hili linahesabiwa haki na ukweli kwamba linaonyesha mali zote mbili za nata - wakati unashikamana na uso laini, na mali ya elastic - kutokana na ambayo hutengana na uso huu na kurudi kwenye hali yake ya awali.

mtu anayeshuka

Picha 1. Kielelezo kinachoshuka kwenye ukuta wa wima pia ni mfano mzuri wa hysteresis ya elastic.

Jaribio hili pia litatumia toy inayopatikana kwa urahisi iliyotengenezwa kwa nyenzo za mnana (picha 1). Inafanywa kwa namna ya takwimu ya mtu au buibui. Tunatupa toy hii na viungo vilivyowekwa na kugeuka chini juu ya uso wa wima wa gorofa, ikiwezekana kwenye kioo, kioo au ukuta wa samani. Kitu kilichotupwa kinashikamana na uso huu. Baada ya muda fulani, muda ambao unategemea, kati ya mambo mengine, juu ya ukali wa uso na kasi ya kutupa, juu ya toy hutoka. Hii hutokea kama matokeo ya kile kilichojadiliwa hapo awali. hysteresis ya elastic na hatua ya uzito wa takwimu, ambayo inachukua nafasi ya nguvu ya elastic ya ukanda, ambayo ilikuwepo katika majaribio ya awali.

Chini ya ushawishi wa uzito, sehemu iliyojitenga ya toy huinama chini na kuvunja zaidi mpaka sehemu hiyo inagusa tena uso wa wima. Baada ya kugusa hii, gluing inayofuata ya takwimu kwenye uso huanza. Matokeo yake, takwimu itakuwa glued tena, lakini katika nafasi ya kichwa-chini. Michakato iliyoelezwa hapo chini inarudiwa, na takwimu zikivunja miguu na kisha kichwa. Athari ni kwamba takwimu inashuka kando ya uso wa wima, na kufanya flips ya kuvutia.

Plastiki ya maji

Mchele. 3. Uchunguzi wa mtiririko wa plastiki

a) hali ya awali, b) hali ya mwisho;

1 - mitende, 2 - sehemu ya juu ya plastiki,

3 - kiashiria, 4 - kubana, 5 - kipande cha plastiki kilichopasuka

Katika hili na majaribio kadhaa yanayofuata, tutatumia plastiki inayopatikana katika maduka ya vinyago, inayojulikana kama "udongo wa uchawi" au "tricolini". Tunakanda kipande cha plastiki kwa umbo sawa na dumbbell, urefu wa 4 cm na kipenyo cha sehemu nene ndani ya cm 1-2 na kipenyo nyembamba cha karibu 5 mm (Mchoro 3a). Tunanyakua ukingo na vidole vyetu kwa ncha ya juu ya sehemu kubwa na kushikilia bila kusonga au kunyongwa kwa wima karibu na alama iliyosanikishwa inayoonyesha eneo la mwisho wa chini wa sehemu kubwa.

Kuzingatia msimamo wa mwisho wa chini wa plastiki, tunaona kuwa inasonga polepole chini. Katika kesi hii, sehemu ya kati ya plastiki imesisitizwa. Utaratibu huu unaitwa mtiririko au kutambaa kwa nyenzo na inajumuisha kuongeza urefu wake chini ya hatua ya dhiki ya mara kwa mara. Kwa upande wetu, mkazo huu unasababishwa na uzito wa sehemu ya chini ya dumbbell ya plastiki (Mchoro 3b). Kutoka kwa mtazamo wa microscopic sasa hii ni matokeo ya mabadiliko katika muundo wa nyenzo zilizowekwa kwa mizigo kwa muda mrefu wa kutosha. Kwa wakati mmoja, nguvu ya sehemu iliyopunguzwa ni ndogo sana kwamba huvunja chini ya uzito wa sehemu ya chini ya plastiki pekee. Kiwango cha mtiririko kinategemea mambo mengi, ikiwa ni pamoja na aina ya nyenzo, kiasi na njia ya kutumia dhiki kwake.

Plastiki tunayotumia ni nyeti sana kutiririka, na tunaweza kuiona kwa macho ndani ya makumi machache ya sekunde. Inafaa kuongeza kuwa udongo wa kichawi uligunduliwa kwa bahati mbaya huko Merika, wakati wa Vita vya Kidunia vya pili, wakati majaribio yalifanywa kutengeneza nyenzo za syntetisk zinazofaa kwa utengenezaji wa matairi ya magari ya jeshi. Kama matokeo ya upolimishaji usio kamili, nyenzo ilipatikana ambayo idadi fulani ya molekuli haikufungwa, na vifungo kati ya molekuli nyingine vinaweza kubadilisha kwa urahisi msimamo wao chini ya ushawishi wa mambo ya nje. Viungo hivi vya "bouncing" huchangia katika sifa za ajabu za udongo wa bouncing.

mpira wa kupotea

Mchele. 4. Weka kwa ajili ya majaribio ya plastiki ya kuenea na kupumzika kwa dhiki:

a) hali ya awali, b) hali ya mwisho; 1 - mpira wa chuma,

2 - chombo cha uwazi, 3 - plastiki, 4 - msingi

Sasa punguza plastiki ya uchawi kwenye chombo kidogo cha uwazi, fungua juu, uhakikishe kuwa hakuna Bubbles za hewa ndani yake (Mchoro 4a). Urefu na kipenyo cha chombo kinapaswa kuwa sentimita kadhaa. Weka mpira wa chuma wa kipenyo cha 1,5 cm katikati ya uso wa juu wa plastiki, tunaacha chombo na mpira peke yake. Kila masaa machache tunaona nafasi ya mpira. Kumbuka kwamba inaingia zaidi na zaidi ndani ya plastiki, ambayo, kwa upande wake, huenda kwenye nafasi juu ya uso wa mpira.

Baada ya muda mrefu wa kutosha, ambayo inategemea: uzito wa mpira, aina ya plastiki inayotumiwa, saizi ya mpira na sufuria, joto la kawaida, tunaona kwamba mpira hufikia chini ya sufuria. Nafasi juu ya mpira itajazwa kabisa na plastiki (Mchoro 4b). Jaribio hili linaonyesha kwamba nyenzo inapita na msamaha wa dhiki.

Plastiki ya kuruka

Unda mpira wa unga wa kuchezea wa kichawi na uurushe kwa haraka kwenye sehemu ngumu kama vile sakafu au ukuta. Tunagundua kwa mshangao kwamba plastiki inaruka kutoka kwenye nyuso hizi kama mpira wa mpira mzuri. Udongo wa uchawi ni mwili ambao unaweza kuonyesha mali zote za plastiki na elastic. Inategemea jinsi mzigo utafanya haraka juu yake.

Wakati mikazo inatumika polepole, kama ilivyo kwa kukandia, inaonyesha mali ya plastiki. Kwa upande mwingine, wakati nguvu inatumiwa kwa kasi, ambayo hutokea wakati inapogongana na sakafu au ukuta, plastiki inaonyesha mali ya elastic. Udongo wa uchawi unaweza kuitwa kwa ufupi mwili wa plastiki-elastic.

Plastiki ya mkazo

Picha 2. Athari ya kunyoosha polepole kwa udongo wa kichawi (urefu wa nyuzi iliyopanuliwa ni karibu 60 cm)

Wakati huu, tengeneza silinda ya plastiki ya kichawi kuhusu 1 cm kwa kipenyo na sentimita chache kwa muda mrefu. Chukua ncha zote mbili na vidole vya mkono wako wa kulia na wa kushoto na uweke roller kwa usawa. Kisha sisi hueneza polepole mikono yetu kwa pande kwa mstari mmoja wa moja kwa moja, na hivyo kusababisha silinda kunyoosha katika mwelekeo wa axial. Tunahisi kwamba plastiki haitoi upinzani wowote, na tunaona kuwa inapungua katikati.

Urefu wa silinda ya plastiki inaweza kuongezeka hadi makumi kadhaa ya sentimita, hadi uzi mwembamba utengenezwe katika sehemu yake ya kati, ambayo itavunjika kwa muda (picha 2). Uzoefu huu unaonyesha kwamba kwa kutumia polepole dhiki kwa mwili wa plastiki-elastic, mtu anaweza kusababisha deformation kubwa sana bila kuharibu.

plastiki ngumu

Tunatayarisha silinda ya plastiki ya uchawi kwa njia ile ile kama katika jaribio la awali na kuifunga vidole kwenye ncha zake kwa njia ile ile. Baada ya kuzingatia umakini wetu, tunaeneza mikono yetu kwa pande haraka iwezekanavyo, tukitaka kunyoosha silinda kwa kasi. Inabadilika kuwa katika kesi hii tunahisi upinzani wa juu sana wa plastiki, na silinda, kwa kushangaza, haina urefu kabisa, lakini huvunja nusu ya urefu wake, kana kwamba imekatwa na kisu (picha 3). Jaribio hili pia linaonyesha kwamba asili ya deformation ya mwili wa plastiki-elastic inategemea kiwango cha maombi ya dhiki.

Plastisini ni dhaifu kama glasi

Picha 3. Matokeo ya kunyoosha haraka kwa plastiki ya uchawi - unaweza kuona urefu mdogo mara nyingi na makali makali, yanayofanana na ufa katika nyenzo dhaifu.

Jaribio hili linaonyesha hata kwa uwazi zaidi jinsi kiwango cha dhiki huathiri mali ya mwili wa plastiki-elastiki. Unda mpira wenye kipenyo cha takriban sm 1,5 kutoka kwenye udongo wa ajabu na uweke juu ya msingi thabiti, mkubwa, kama vile bamba la chuma nzito, nyungu au sakafu ya zege. Piga mpira polepole na nyundo yenye uzito wa angalau kilo 0,5 (Mchoro 5a). Inabadilika kuwa katika hali hii mpira hufanya kama mwili wa plastiki na hupungua baada ya nyundo kuanguka juu yake (Mchoro 5b).

Tengeneza plastiki bapa kwenye mpira tena na uweke kwenye sahani kama hapo awali. Tena tunapiga mpira kwa nyundo, lakini wakati huu tunajaribu kufanya hivyo haraka iwezekanavyo (Mchoro 5c). Inabadilika kuwa mpira wa plastiki katika kesi hii unafanya kama umetengenezwa kwa nyenzo dhaifu, kama glasi au porcelaini, na inapoguswa huvunjika vipande vipande pande zote (Mchoro 5d).

Mashine ya joto kwenye bendi za mpira za dawa

Mkazo katika vifaa vya rheological inaweza kupunguzwa kwa kuongeza joto lao. Tutatumia athari hii katika injini ya joto na kanuni ya kushangaza ya uendeshaji. Ili kuikusanya, utahitaji: kofia ya screw ya jar, dazeni au bendi fupi za mpira, sindano kubwa, kipande cha mstatili cha karatasi nyembamba ya karatasi, na taa yenye balbu ya moto sana. Mchoro wa motor umeonyeshwa kwenye Mchoro 6. Ili kuikusanya, kata sehemu ya kati kutoka kwenye kifuniko ili pete ipatikane.

Mchele. 5. Njia ya kuonyesha mali ya plastiki na brittle ya plastiki

a) kupiga mpira polepole b) kupiga polepole

c) kupiga haraka kwenye mpira, d) athari ya kupiga haraka;

1 - mpira wa plastiki, 2 - sahani thabiti na kubwa, 3 - nyundo,

v - kasi ya nyundo

Katikati ya pete hii tunaweka sindano, ambayo ni mhimili, na kuweka bendi za elastic juu yake ili katikati ya urefu wake wapumzike dhidi ya pete na hupigwa kwa nguvu. Bendi za elastic zinapaswa kuwekwa kwa ulinganifu kwenye pete, kwa hiyo, gurudumu yenye spokes iliyotengenezwa kutoka kwa bendi za elastic hupatikana. Pindisha kipande cha karatasi ya chuma kwenye sura ya cramponi na mikono iliyonyooshwa, kukuwezesha kuweka mduara uliotengenezwa hapo awali kati yao na kufunika nusu ya uso wake. Kwa upande mmoja wa cantilever, kwenye kingo zake zote mbili za wima, tunafanya kukata ambayo inaruhusu sisi kuweka mhimili wa gurudumu ndani yake.

Weka mhimili wa gurudumu kwenye kata ya usaidizi. Tunazunguka gurudumu kwa vidole na kuangalia ikiwa ni usawa, i.e. inasimama katika nafasi yoyote. Ikiwa sio hivyo, sawazisha gurudumu kwa kuhamisha kidogo mahali ambapo bendi za mpira hukutana na pete. Weka bracket kwenye meza na uangaze sehemu ya duara inayojitokeza kutoka kwenye matao yake na taa ya moto sana. Inatokea kwamba baada ya muda gurudumu huanza kuzunguka.

Sababu ya harakati hii ni mabadiliko ya mara kwa mara katika nafasi ya katikati ya wingi wa gurudumu kama matokeo ya athari inayoitwa rheologists. utulivu wa mkazo wa joto.

Kupumzika huku kunatokana na ukweli kwamba mikataba yenye elastic iliyosisitizwa sana inapokanzwa. Katika injini yetu, nyenzo hii ni raba za upande wa gurudumu zinazotoka kwenye mabano na kuwashwa na balbu ya mwanga. Matokeo yake, katikati ya wingi wa gurudumu hubadilishwa kwa upande unaofunikwa na silaha za msaada. Kama matokeo ya mzunguko wa gurudumu, bendi za mpira wa joto huanguka kati ya mabega ya usaidizi na baridi chini, kwani huko hufichwa kutoka kwa balbu. Vifutio vilivyopozwa hurefushwa tena. Mlolongo wa taratibu zilizoelezwa huhakikisha mzunguko unaoendelea wa gurudumu.

Sio tu majaribio ya kuvutia

Mchele. 6. Muundo wa injini ya joto iliyofanywa kwa bendi za mpira za dawa

a) mtazamo wa upande

b) sehemu na ndege ya axial; 1 - pete, 2 - sindano, 3 - kifutio cha dawa,

4 - bracket, 5 - cutout katika mabano, 6 - bulb

Sasa rheolojia ni eneo linaloendelea kwa kasi la maslahi kwa wanafizikia na wataalamu katika uwanja wa sayansi ya kiufundi. Matukio ya kijiolojia katika hali fulani yanaweza kuwa na athari mbaya kwa mazingira ambayo hutokea na lazima izingatiwe, kwa mfano, wakati wa kubuni miundo mikubwa ya chuma ambayo huharibika kwa muda. Wanatokea kama matokeo ya kuenea kwa nyenzo chini ya hatua ya mizigo ya kaimu na uzito wake mwenyewe.

Vipimo sahihi vya unene wa karatasi za shaba zinazofunika paa zenye mwinuko na madirisha ya vioo katika makanisa ya kihistoria yameonyesha kuwa mambo haya ni mazito chini kuliko ya juu. Haya ndiyo matokeo sasawote shaba na kioo chini ya uzito wao wenyewe kwa miaka mia kadhaa. Matukio ya kirolojia pia hutumiwa katika teknolojia nyingi za kisasa na za kiuchumi za utengenezaji. Mfano ni usindikaji wa plastiki. Bidhaa nyingi zilizofanywa kutoka kwa nyenzo hizi kwa sasa zinatengenezwa na extrusion, kuchora na ukingo wa pigo. Hii inafanywa baada ya kupokanzwa nyenzo na kutumia shinikizo kwake kwa kiwango kilichochaguliwa ipasavyo. Kwa hiyo, kati ya mambo mengine, foil, fimbo, mabomba, nyuzi, pamoja na vinyago na sehemu za mashine za maumbo tata. Faida muhimu sana za njia hizi ni gharama nafuu na zisizo za taka.