Nalika Hukum Hooke ora cukup maneh ...

Miturut hukum Hooke sing dikenal saka buku teks sekolah, elongasi awak kudu langsung proporsional karo stres sing ditrapake. Nanging, akeh bahan sing wigati banget ing teknologi modern lan urip saben dina mung kira-kira tundhuk karo hukum iki utawa tumindak kanthi beda. Fisikawan lan insinyur ujar manawa bahan kasebut duwe sifat rheologis. Sinau babagan sifat kasebut bakal dadi subyek saka sawetara eksperimen sing menarik.

Rheologi minangka studi babagan sifat-sifat bahan sing prilaku ngluwihi teori elastisitas adhedhasar hukum Hooke kasebut. Prilaku iki digandhengake karo akeh fenomena menarik. Iki kalebu, utamane: wektu tundha bali saka materi menyang negara asline sawise drop voltase, yaiku, hysteresis elastis; Tambah ing elongation awak ing kaku pancet, digunakake disebut aliran; utawa nambah kaping pirang-pirang resistensi kanggo deformasi lan kekerasan saka awak plastik sing wiwitan, nganti katon sifat-sifat karakteristik bahan rapuh.

panguwasa kesed

Siji ujung panguasa plastik kanthi dawane 30 cm utawa luwih dipasang ing jaws vise supaya panguasa vertikal (Gbr. 1). Kita nolak ujung ndhuwur panguasa saka vertikal mung sawetara milimeter lan ngeculake. Elinga yen bagean bebas saka panguasa oscillates kaping pirang-pirang watara posisi keseimbangn vertikal lan bali menyang negara asli (Fig. 1a). Osilasi sing diamati harmonis, amarga ing defleksi cilik, gedhene gaya elastis sing tumindak minangka gaya penuntun langsung sebanding karo defleksi ujung panguasa. Prilaku panguwasa iki digambarake kanthi teori elastisitas. 

Gabah. 1. Sinau histeresis elastis nggunakake penggaris

1 - ambulans,

2 - rahang vise, A - panyimpangan saka mburi panguwasa saka vertikal

Ing bagean kapindho eksperimen, kita deflect ujung ndhuwur panguasa kanthi sawetara sentimeter, ngeculake, lan mirsani prilaku (Fig. 1b). Saiki pungkasan iki alon-alon bali menyang posisi keseimbangan. Iki amarga keluwihan watesan elastis saka materi panguasa. Efek iki diarani histeresis elastis. Iku kasusun ing bali alon saka awak deformed kanggo negara asli. Yen kita mbaleni eksperimen pungkasan iki kanthi ngiringake mburi ndhuwur panguasa malah luwih, kita bakal nemokake sing bali uga bakal luwih alon lan bisa njupuk nganti sawetara menit. Kajaba iku, panguasa ora bakal bali persis menyang posisi vertikal lan bakal tetep mbengkongaken kanthi permanen. Efek sing diterangake ing bagean kapindho eksperimen mung salah siji saka subyek riset rheologi.

Manuk utawa laba-laba bali

Kanggo pengalaman sabanjure, kita bakal nggunakake dolanan sing murah lan gampang dituku (kadhangkala uga kasedhiya ing kios). Iku kasusun saka figurine flat ing wangun manuk utawa kewan liyane, kayata laba-laba, disambungake dening tali dawa karo gagang wangun ring (Gambar 2a). Kabeh dolanan digawe saka bahan sing luwes, kaya karet sing rada lengket nalika disentuh. Pita kasebut bisa ditarik kanthi gampang, nambah dawane kaping pirang-pirang tanpa nyuwek. Kita nindakake eksperimen ing cedhak permukaan sing mulus, kayata kaca pangilon utawa tembok furnitur. Kanthi driji siji tangan, nyekel gagang lan nggawe gelombang, saéngga mbuwang dolanan menyang permukaan sing alus. Sampeyan bakal sok dong mirsani sing figurine nempel ing lumahing lan tape tetep taut. Kita terus nyekel gagang nganggo driji nganti pirang-pirang puluh detik utawa luwih.

Gabah. 2. Conto nyata saka histeresis elastis, ditampilake kanthi nggunakake salib bali

1 - patung laba-laba, 2 - karet gelang,

3 - nangani, 4 - palm, 5 - lumahing

Sawise sawetara wektu, kita sok dong mirsani sing figurine abruptly metu saka lumahing lan, kepincut dening panas shrink tape, cepet bali menyang tangan. Ing kasus iki, kaya ing eksperimen sadurunge, ana uga bosok voltase alon, yaiku, histeresis elastis. Kekuwatan elastis saka tape sing digawe dowo ngatasi gaya adhesi pola menyang permukaan, sing saya suwe saya suwe. Akibaté, tokoh bali menyang tangan. Materi dolanan sing digunakake ing eksperimen iki diarani rheologists viskoelastik. Jeneng iki dibenerake kanthi nyatane nuduhake sifat lengket - nalika nempel ing permukaan sing alus, lan sifat elastis - amarga bisa ilang saka permukaan iki lan bali menyang kahanan asline.

wong mudhun

Foto 1. Patung sing mudhun ing tembok vertikal uga minangka conto histeresis elastis.

Eksperimen iki uga bakal nggunakake dolanan sing digawe saka bahan viskoelastik (foto 1). Iki digawe ing wangun tokoh manungsa utawa angga. Kita mbuwang dolanan iki kanthi perangan awak sing disebarake lan diuripake ing permukaan vertikal sing rata, luwih becik ing kaca, pangilon utawa tembok perabot. A obyek sing dibuwang nempel ing permukaan iki. Sawise sawetara wektu, durasi gumantung, antarane liyane, ing roughness saka lumahing lan kacepetan mbuwang, ndhuwur dolanan teka mati. Iki kedadeyan minangka asil saka sing wis dibahas sadurunge. histeresis elastis lan tumindak bobot saka tokoh, sing ngganti gaya elastis sabuk, sing ana ing eksperimen sadurunge.

Ing pangaribawa bobot, bagean dolanan sing dicopot mbengkongake lan rusak maneh nganti bagean kasebut ndemek permukaan vertikal maneh. Sawise tutul iki, gluing sabanjure tokoh menyang permukaan diwiwiti. Akibaté, tokoh kasebut bakal ditempelake maneh, nanging ing posisi sirah mudhun. Proses sing diterangake ing ngisor iki bola-bali, kanthi tokoh-tokoh kasebut gantian nyuwek sikil lan banjur sirah. Efek kasebut yaiku tokoh kasebut mudhun ing permukaan vertikal, nggawe flip sing spektakuler.

Cairan plastisin

Gabah. 3. Tes aliran plastisin

a) kahanan wiwitan, b) kahanan pungkasan;

1 - palem, 2 - sisih ndhuwur plastisin,

3 - indikator, 4 - constriction, 5 - ambruk Piece saka plasticine

Ing iki lan sawetara eksperimen sakteruse, kita bakal nggunakake plastisin sing kasedhiya ing toko dolanan, sing dikenal minangka "lempung ajaib" utawa "tricolin". We knead Piece saka plasticine ing wangun padha dumbbell, dawane kira-kira 4 cm lan karo diameteripun saka bagean kandel ing 1-2 cm lan narrowing diameteripun watara 5 mm (Fig. 3a). Kita nyekel cetakan nganggo driji ing pucuk ndhuwur bagean sing luwih kenthel lan terus ora obah utawa digantung kanthi vertikal ing jejere marker sing dipasang sing nuduhake lokasi ujung ngisor bagean sing luwih kandel.

Mirsani posisi mburi ngisor saka plasticine, kita Wigati sing alon obah mudhun. Ing kasus iki, bagian tengah plasticine dikompres. Proses iki diarani aliran utawa creep saka materi lan kalebu nambah elongation ing tumindak kaku pancet. Ing kasus kita, stres iki disebabake bobote bagian ngisor dumbbell plasticine (Gambar 3b). Saka sudut pandang mikroskopik saiki iki minangka asil saka owah-owahan ing struktur materi sing kena beban kanggo wektu sing cukup suwe. Ing salah siji titik, kekuatan bagean narrowed dadi cilik sing break ing bobot saka sisih ngisor plasticine piyambak. Tingkat aliran gumantung ing pirang-pirang faktor, kalebu jinis materi, jumlah lan cara ngetrapake stres kasebut.

Plastisin sing kita gunakake banget sensitif kanggo mili, lan kita bisa ndeleng kanthi mripat langsung sajrone sawetara puluhan detik. Perlu ditambahake yen lempung ajaib ditemokake kanthi ora sengaja ing Amerika Serikat, nalika Perang Donya II, nalika nyoba nggawe bahan sintetis sing cocok kanggo produksi ban kanggo kendaraan militer. Minangka asil polimerisasi sing ora lengkap, materi dipikolehi kanthi jumlah molekul tartamtu sing ora kaiket, lan ikatan antarane molekul liyane bisa gampang ngganti posisine ing pengaruh faktor eksternal. Tautan "muntul" iki nyumbangake sifat-sifat lempung sing apik banget.

bal kesasar

Gabah. 4. Setel kanggo nguji plastisin kanggo nyebar lan istirahat stres:

a) kahanan wiwitan, b) kahanan pungkasan; 1 - bal baja,

2 - prau transparan, 3 - plastisin, 4 - basa

Saiki remet plastisin ajaib menyang wadhah transparan cilik, mbukak ing sisih ndhuwur, priksa manawa ora ana gelembung udara (Gambar 4a). Dhuwur lan diameter kapal kudu pirang-pirang sentimeter. Selehake bal baja kanthi diameter kira-kira 1,5 cm ing tengah permukaan ndhuwur plastisin, kita ninggalake prau kanthi bal kasebut. Saben sawetara jam kita mirsani posisi bal. Elinga yen dadi luwih jero lan luwih jero menyang plastisin, sing banjur mlebu ing papan ing ndhuwur permukaan bal.

Sawise wektu sing cukup suwe, sing gumantung ing: bobot bal, jinis plastisin sing digunakake, ukuran bal lan panci, suhu sekitar, kita sok dong mirsani yen bal kasebut tekan ngisor panci. Spasi ing ndhuwur bal bakal diisi kanthi plastisin (Gambar 4b). Eksperimen iki nuduhake yen materi mili lan nyuda stres.

Mlumpat plastisin

Gawe bal saka playdough ajaib lan cepet-cepet dicemplungake ing permukaan sing atos kayata lantai utawa tembok. Kita sok dong mirsani kanthi kaget yen plastisin mumbul saka permukaan kasebut kaya bal karet sing mumbul. Lempung ajaib minangka awak sing bisa nampilake sifat plastik lan elastis. Iku gumantung carane cepet beban bakal tumindak ing.

Nalika ditekan alon-alon, kaya ing kasus kneading, nuduhake sifat plastik. Saliyane, kanthi aplikasi kanthi cepet saka pasukan, sing kedadeyan nalika tabrakan karo lantai utawa tembok, plasticine nuduhake sifat elastis. Lempung ajaib bisa diarani awak plastik-elastis.

Plastisin tarik

Foto 2. Efek regangan lempung ajaib (dawa serat sing diregangkan kira-kira 60 cm)

Wektu iki, mbentuk silinder plastisin ajaib kanthi diameter 1 cm lan dawane sawetara sentimeter. Njupuk loro ends karo driji tangan tengen lan kiwa lan nyetel roller horisontal. Banjur kita alon-alon nyebarake tangan menyang pinggir ing siji garis lurus, saéngga nyebabake silinder kanggo mulet ing arah aksial. We aran sing plasticine nawakake meh ora resistance, lan kita sok dong mirsani sing narrows ing tengah.

Dawane silinder plastisin bisa ditambah nganti pirang-pirang puluh sentimeter, nganti benang tipis dibentuk ing bagian tengah, sing bakal ngrusak wektu (foto 2). Pengalaman iki nuduhake yen kanthi alon ngetrapake stres menyang awak plastik-elastis, bisa nyebabake deformasi sing gedhe banget tanpa ngrusak.

plastisin keras

Kita nyiapake silinder plastisin ajaib kanthi cara sing padha kaya ing eksperimen sadurunge lan mbungkus driji ing ujung kanthi cara sing padha. Duwe konsentrasi perhatian, kita nyebarake tangan menyang sisih kanthi cepet, pengin kanthi cepet babagan silinder. Pranyata metu sing ing kasus iki kita aran resistance dhuwur banget saka plasticine, lan silinder, kaget, ora elongate ing kabeh, nanging break ing setengah dawa, kaya Cut karo piso (foto 3). Eksperimen iki uga nuduhake yen sifat deformasi awak plastik-elastis gumantung saka tingkat aplikasi stres.

Plastisin iku rapuh kaya kaca

Foto 3. Asil saka plastisin ajaib kanthi cepet - sampeyan bisa ndeleng kaping pirang-pirang kurang elongasi lan pinggiran sing cetha, kaya retak ing bahan sing rapuh.

Eksperimen iki nuduhake kanthi luwih jelas kepiye tingkat stres mengaruhi sifat awak plastik-elastis. Wujudake bal kanthi diameter kira-kira 1,5 cm saka lempung ajaib lan lebokake ing dhasar sing padhet, gedhe, kayata piring baja abot, landasan, utawa lantai beton. Alon-alon nyekel bal kanthi palu sing bobote paling sethithik 0,5 kg (Gambar 5a). Pranyata ing kahanan iki werni tumindak kaya awak plastik lan flattens metu sawise Pethel tiba ing (Fig. 5b).

Bentuk plastisin sing wis rata dadi bal maneh lan lebokake ing piring kaya sadurunge. Maneh kita mencet werni karo palu, nanging wektu iki kita nyoba kanggo nindakake iku minangka cepet sabisa (Fig. 5c). Pranyata bal plastisin ing kasus iki tumindak kaya-kaya digawe saka bahan sing rapuh, kayata kaca utawa porselen, lan nalika kena pengaruh, pecah ing kabeh arah (Fig. 5d).

Mesin termal ing pita karet farmasi

Stress ing bahan rheologis bisa dikurangi kanthi ngunggahake suhu. Kita bakal nggunakake efek iki ing mesin panas kanthi prinsip operasi sing nggumunake. Kanggo ngumpulake, sampeyan butuh: tutup sekrup jar timah, rolas utawa luwih karet gelang, jarum gedhe, potongan persegi panjang saka lembaran logam tipis, lan lampu kanthi bohlam sing panas banget. Desain motor ditampilake ing Fig.. 6. Kanggo ngumpulake, Cut metu bagéan tengah saka tutup supaya dering dijupuk.

Gabah. 5. Cara kanggo nduduhake plastisin lan sifat rapuh saka plastisin

a) nabuh alon b) nabuh alon

c) pukulan cepet ing bal, d) efek saka hit cepet;

1 - bal plastisin, 2 - piring padhet lan masif, 3 - palu,

v - kacepetan palu

Ing tengah dering iki, kita sijine jarum, yaiku sumbu, lan sijine pita elastis supaya ing tengah dawane padha ngaso ing dering lan kuwat digawe dowo. Pita elastis kudu diselehake kanthi simetris ing dering, saéngga, roda kanthi spokes sing dibentuk saka pita elastis dijupuk. Bend Piece saka sheet metal menyang wangun crampon karo tangan digawe dowo, ngijini sampeyan kanggo nyelehake bunder sadurunge digawe ing antarane lan nutupi setengah saka permukaané. Ing sisih siji saka cantilever, ing loro sudhut vertikal sawijining, kita nggawe cutout sing ngijini kita kanggo nyelehake poros wheel ing.

Selehake poros roda ing potongan dhukungan. Kita muter setir karo driji lan mriksa yen iku imbang, i.e. apa mandheg ing posisi apa wae. Yen iki ora cilik, Balance wheel dening rada nggeser panggonan ngendi gelang karet ketemu ring. Sijine krenjang ing meja lan madhangi bagean bunder sing metu saka lengkungan kanthi lampu sing panas banget. Pranyata metu sing sawise nalika wheel wiwit muter.

Alesan kanggo gerakan iki owah-owahan pancet ing posisi tengah massa rodha minangka asil saka efek disebut rheologists. relaksasi stres termal.

Relaksasi iki adhedhasar kasunyatan manawa bahan elastis sing ditekan banget nalika dipanasake. Ing mesin kita, materi iki minangka gelang karet ing sisih rodha sing metu saka braket krenjang lan dipanasake kanthi bolam lampu. Akibaté, tengah massa rodha dipindhah menyang sisih dijamin dening tangan support. Minangka asil rotasi rodha, karet gelang digawe panas tiba ing antarane pundak support lan kelangan mudhun, amarga ana padha umpetaken saka bohlam. Erasers digawe adhem dawa maneh. Urutan pangolahan diterangake njamin rotasi terus-terusan setir.

Ora mung eksperimen spektakuler

Gabah. 6. Desain mesin panas sing digawe saka pita karet farmasi

a) tampilan sisih

b) bagean dening bidang aksial; 1 - dering, 2 - jarum, 3 - penghapus farmasi,

4 - krenjang, 5 - cutout ing krenjang, 6 - bohlam

Saiki rheologi minangka lapangan sing berkembang kanthi cepet kanggo para ahli fisika lan spesialis ing bidang ilmu teknis. Fenomena rheologis ing sawetara kahanan bisa duwe efek sing ora becik ing lingkungan sing kedadeyan lan kudu digatekake, contone, nalika ngrancang struktur baja gedhe sing deform saka wektu. Iki minangka asil saka panyebaran materi miturut tumindak beban lan bobote dhewe.

Pangukuran sing akurat saka kekandelan lembaran tembaga sing nutupi atap sing curam lan jendhela kaca patri ing gréja-greja bersejarah wis nuduhaké yèn unsur-unsur kasebut luwih kenthel ing sisih ngisor tinimbang ing ndhuwur. Iki asile saikiloro tembaga lan kaca ing bobot dhewe kanggo sawetara atus taun. Fenomena rheologis uga digunakake ing akeh teknologi manufaktur modern lan ekonomi. Tuladhane yaiku daur ulang plastik. Umume produk sing digawe saka bahan kasebut saiki digawe kanthi extrusion, drawing lan blow molding. Iki ditindakake sawise dadi panas materi lan ngetrapake tekanan ing tingkat sing dipilih kanthi tepat. Mangkono, ing antarane liyane, foil, rod, pipa, serat, uga dolanan lan bagean mesin saka wangun kompleks. Kauntungan sing penting banget saka metode kasebut yaiku biaya murah lan ora sampah.