Када Хуков закон више није довољан...

Према Хуковом закону познатом из школских уџбеника, издужење тела треба да буде директно пропорционално примењеном напрезању. Међутим, многи материјали који су од великог значаја у савременој технологији и свакодневном животу само приближно су у складу са овим законом или се понашају потпуно другачије. Физичари и инжењери кажу да такви материјали имају реолошка својства. Проучавање ових својстава биће предмет неких занимљивих експеримената.

Реологија је проучавање својстава материјала чије понашање превазилази теорију еластичности засновану на горе поменутом Хуковом закону. Ово понашање је повезано са многим занимљивим појавама. То укључује, посебно: кашњење у повратку материјала у првобитно стање након пада напона, тј. еластичну хистерезу; повећање издужења тела при константном стресу, иначе званом проток; или вишеструко повећање отпорности на деформације и тврдоће првобитно пластичног тела, све до појаве својстава карактеристичних за крхке материјале.

лењи владар

Један крај пластичног лењира дужине 30 цм или више учвршћује се у чељусти стеге тако да лењир буде окомит (сл. 1). Горњи крај лењира одбацујемо од вертикале за само неколико милиметара и отпуштамо га. Имајте на уму да слободни део лењира неколико пута осцилује око вертикалног положаја равнотеже и враћа се у првобитно стање (слика 1а). Уочене осцилације су хармонијске, пошто је при малим угибима величина еластичне силе која делује као сила вођења директно пропорционална угибу краја лењира. Овакво понашање лењира описује теорија еластичности. 

Пиринач. 1. Проучавање еластичне хистерезе помоћу лењира

1 – хитна помоћ,

2 - виске чељусти, А - одступање краја лењира од вертикале

У другом делу експеримента скрећемо горњи крај лењира за неколико центиметара, отпуштамо га и посматрамо његово понашање (сл. 1б). Сада се овај крај полако враћа у равнотежни положај. То је због вишка границе еластичности материјала лењира. Овај ефекат се зове еластична хистереза. Састоји се у спором враћању деформисаног тела у првобитно стање. Ако поновимо овај последњи експеримент, још више нагнувши горњи крај лењира, открићемо да ће и његово враћање бити спорије и може потрајати и до неколико минута. Поред тога, лењир се неће вратити тачно у вертикални положај и остаће трајно савијен. Ефекти описани у другом делу експеримента су само један од њих предмети истраживања реологије.

Птица или паук који се враћа

За следеће искуство користићемо јефтину и лаку за куповину играчку (понекад је доступна и на киосцима). Састоји се од равне фигурине у облику птице или друге животиње, попут паука, повезане дугачком траком са прстенастом дршком (сл. 2а). Цела играчка је направљена од еластичног материјала налик гуми који је мало лепљив на додир. Трака се може врло лако растегнути, повећавајући своју дужину неколико пута без кидања. Експеримент спроводимо у близини глатке површине, као што је огледало или зид намештаја. Прстима једне руке држите ручку и замахните и тако баците играчку на глатку површину. Приметићете да се фигурица лепи за површину и да трака остаје затегнута. Настављамо да држимо ручицу прстима неколико десетина секунди или више.

Пиринач. 2. Живописан пример еластичне хистерезе, приказан помоћу повратног крста

1 - фигурица паука, 2 - гумена трака,

3 - дршка, 4 - длан, 5 - површина

После неког времена примећујемо да ће фигурица нагло одлетети од површине и, привучена термоскупљајућом траком, брзо се вратити у нашу руку. У овом случају, као иу претходном експерименту, такође долази до спорог опадања напона, односно еластичне хистерезе. Еластичне силе истегнуте траке савладавају силе пријањања шаре на површину, које временом слабе. Као резултат, фигура се враћа у руку. Материјал играчке који се користи у овом експерименту називају реолози вискоеластична. Овај назив је оправдан чињеницом да испољава и лепљива својства - када се лепи за глатку површину, и еластична својства - због којих се одваја од ове површине и враћа у првобитно стање.

силазни човек

Слика 1. Фигурина која се спушта низ вертикални зид такође је одличан пример еластичне хистерезе.

Овај експеримент ће такође користити лако доступну играчку од вискоеластичног материјала (слика 1). Израђен је у облику фигуре човека или паука. Бацамо ову играчку са распоређеним удовима и окренуту наопачке на равну вертикалну површину, најбоље на стакло, огледало или зид намештаја. Бачени предмет се лепи за ову површину. После неког времена, чије трајање зависи, између осталог, од храпавости површине и брзине бацања, врх играчке се скида. Ово се дешава као резултат онога што је раније дискутовано. еластична хистереза и дејство тежине фигуре која замењује еластичну силу појаса која је била присутна у претходном експерименту.

Под утицајем тежине, одвојени део играчке се савија и даље се ломи док део поново не додирне вертикалну површину. Након овог додира, почиње следеће лепљење фигуре на површину. Као резултат, фигура ће поново бити залепљена, али у положају са главом надоле. Процеси описани у наставку се понављају, а фигуре наизменично откидају ноге, а затим главу. Ефекат је да се фигура спушта дуж вертикалне површине, правећи спектакуларне преокрете.

Течни пластелин

Пиринач. 3. Тест протока пластелина

а) почетна ситуација, б) коначна ситуација;

1 - длан, 2 - горњи део пластелина,

3 - индикатор, 4 - сужење, 5 - поцепан комад пластелина

У овом и неколико наредних експеримената користићемо пластелин доступан у продавницама играчака, познат као "магична глина" или "триколин". Умесимо комад пластелина облика сличног бучици, дужине око 4 цм и пречника дебљих делова унутар 1-2 цм и пречника сужења око 5 мм (сл. 3а). Лајсну ухватимо прстима за горњи крај дебљег дела и држимо је непомично или је окачимо окомито поред постављеног маркера који означава локацију доњег краја дебљег дела.

Посматрајући положај доњег краја пластелина, примећујемо да се он полако креће надоле. У овом случају, средњи део пластелина је компримован. Овај процес се назива течење или пузање материјала и састоји се у повећању његовог издужења под дејством сталног напрезања. У нашем случају, овај стрес је узрокован тежином доњег дела бучице од пластелина (сл. 3б). Са микроскопске тачке гледишта струја ово је резултат промене структуре материјала који је довољно дуго изложен оптерећењима. У једном тренутку, чврстоћа суженог дела је толико мала да се ломи под тежином самог доњег дела пластелина. Брзина протока зависи од многих фактора, укључујући врсту материјала, количину и начин наношења напрезања на њега.

Пластелин који користимо изузетно је осетљив на течење и можемо га видети голим оком за само неколико десетина секунди. Вреди додати да је магична глина измишљена случајно у Сједињеним Државама, током Другог светског рата, када је покушано да се произведе синтетички материјал погодан за производњу гума за војна возила. Као резултат непотпуне полимеризације добија се материјал у коме је одређен број молекула био невезан, а везе између осталих молекула су лако могле да промене свој положај под утицајем спољашњих фактора. Ове "поскакујуће" везе доприносе невероватним својствима поскакајуће глине.

залутала лопта

Пиринач. 4. Сет за тестирање пластелина за размазивање и опуштање стреса:

а) почетна ситуација, б) коначна ситуација; 1 - челична кугла,

2 - провидна посуда, 3 - пластелин, 4 - база

Сада истисните магични пластелин у малу провидну посуду, отворену на врху, пазећи да у њој нема мехурића ваздуха (сл. 4а). Висина и пречник посуде треба да буду неколико центиметара. У центар горње површине пластелина поставите челичну куглу пречника око 1,5 цм.Остављамо посуду са лоптом на миру. Сваких неколико сати посматрамо позицију лопте. Имајте на уму да иде све дубље у пластелин, који заузврат иде у простор изнад површине лопте.

После довољно дугог времена, које зависи од: тежине лопте, врсте употребљеног пластелина, величине кугле и тигања, температуре околине, примећујемо да лопта доспе на дно посуде. Простор изнад лопте биће у потпуности испуњен пластелином (сл. 4б). Овај експеримент показује да материјал тече и ослободите стреса.

Пластелин за скакање

Формирајте куглу од магичног теста и брзо је баците на тврду површину као што је под или зид. Са изненађењем примећујемо да се пластелин одбија од ових површина као поскакујућа гумена лопта. Магична глина је тело које може да покаже и пластична и еластична својства. Зависи од тога колико ће брзо оптерећење деловати на њега.

Када се напрезања примењују полако, као у случају гњечења, испољава пластична својства. С друге стране, уз брзу примену силе, која се јавља приликом судара са подом или зидом, пластелин показује еластична својства. Магична глина се укратко може назвати пластично-еластичним телом.

Затезни пластелин

Слика 2. Ефекат спорог истезања магичне глине (дужина растегнутог влакна је око 60 цм)

Овог пута формирајте магични цилиндар од пластелина пречника око 1 цм и дужине неколико центиметара. Узмите оба краја прстима десне и леве руке и поставите ваљак хоризонтално. Затим полако ширимо руке у страну у једној правој линији, узрокујући да се цилиндар истеже у аксијалном правцу. Осећамо да пластелин готово не пружа отпор, а примећујемо да се у средини сужава.

Дужина цилиндра од пластелина може се повећати на неколико десетина центиметара, све док се у његовом централном делу не формира танка нит, која ће временом пукнути (слика 2). Ово искуство показује да се полаганим напрезањем на пластично-еластично тело може изазвати веома велика деформација без његовог уништења.

тврди пластелин

Чаробни цилиндар од пластелина припремамо на исти начин као у претходном експерименту и на исти начин обмотавамо прсте око његових крајева. Сконцентрисавши пажњу, раширили смо руке у страну што је брже могуће, желећи да оштро истегнемо цилиндар. Испоставља се да у овом случају осећамо веома висок отпор пластелина, а цилиндар се, изненађујуће, уопште не издужује, већ се ломи на пола дужине, као да је исечен ножем (слика 3). Овај експеримент такође показује да природа деформације пластично-еластичног тела зависи од брзине примене напона.

Пластелин је крхак као стакло

Слика 3. Резултат брзог истезања магичног пластелина - можете видети много пута мање издужење и оштру ивицу, која подсећа на пукотину у крхком материјалу

Овај експеримент још јасније показује како брзина напрезања утиче на својства пластично-еластичног тела. Од магичне глине формирајте лопту пречника око 1,5 цм и ставите је на чврсту, масивну подлогу, као што је тешка челична плоча, наковањ или бетонски под. Полако ударите лопту чекићем тежине најмање 0,5 кг (слика 5а). Испоставило се да се у овој ситуацији лопта понаша као пластично тело и да се спљошти након што на њу падне чекић (слика 5б).

Поново формирајте спљоштени пластелин у куглу и ставите је на тањир као и раније. Поново ударамо лопту чекићем, али овога пута покушавамо да то урадимо што је брже могуће (слика 5ц). Испоставило се да се куглица од пластелина у овом случају понаша као да је направљена од ломљивог материјала, попут стакла или порцелана, а при удару се распада на комаде у свим правцима (сл. 5д).

Термо машина на фармацеутским гумицама

Напрезање у реолошким материјалима може се смањити повећањем њихове температуре. Користићемо овај ефекат у топлотном мотору са изненађујућим принципом рада. Да бисте га саставили, биће вам потребни: чеп на завртање од лимене тегле, десетак кратких гумица, велика игла, правоугаони комад танког лима и лампа са јако загрејаном сијалицом. Дизајн мотора је приказан на слици 6. Да бисте га саставили, исеците средњи део од поклопца тако да се добије прстен.

Пиринач. 5. Метода за доказивање пластелина и крхких својстава пластелина

а) споро ударање лопте б) споро ударање

в) брз ударац на лопту, г) ефекат брзог ударца;

1 - кугла од пластелина, 2 - чврста и масивна плоча, 3 - чекић,

в - брзина чекића

У центар овог прстена стављамо иглу, која је оса, и на њу стављамо еластичне траке тако да се на средини своје дужине наслањају на прстен и снажно се растежу. Еластичне траке треба поставити симетрично на прстен, тако да се добија точак са жбицама формираним од еластичних трака. Савијте комад лима у облик дерезе са испруженим рукама, омогућавајући вам да између њих поставите претходно направљен круг и покријете половину његове површине. На једној страни конзоле, на обе њене вертикалне ивице, правимо изрез који нам омогућава да у њу поставимо осовину точка.

Поставите осовину точка у изрез на носачу. Прстима окрећемо точак и проверавамо да ли је избалансиран, тј. да ли се зауставља у било ком положају. Ако то није случај, избалансирајте точак лаганим померањем места где се гумене траке спајају са прстеном. Ставите држач на сто и осветлите веома врућом лампом део круга који вири из његових лукова. Испоставља се да након неког времена точак почиње да се окреће.

Разлог за ово кретање је стална промена положаја центра масе точка као резултат ефекта званог реолози. опуштање термичког стреса.

Ова релаксација је заснована на чињеници да се еластични материјал под великим оптерећењем скупља када се загрева. У нашем мотору, овај материјал су гумене траке на страни точкова које вире из држача носача и загревају се сијалицом. Као резултат, центар масе точка се помера на страну коју покривају потпорне руке. Као резултат ротације точка, загрејане гумене траке падају између рамена носача и хладе се, јер су тамо скривене од сијалице. Охлађене гумице се поново продужавају. Редослед описаних процеса обезбеђује континуирану ротацију точка.

Не само спектакуларни експерименти

Пиринач. 6. Дизајн топлотног мотора од фармацеутских гумица

а) поглед са стране

б) пресек аксијалном равни; 1 - прстен, 2 - игла, 3 - фармацеутска гумица,

4 - носач, 5 - изрез у носачу, 6 - сијалица

Сада реологија је област интересовања која се брзо развија и за физичаре и за специјалисте у области техничких наука. Реолошке појаве у неким ситуацијама могу имати неповољан утицај на средину у којој се јављају и морају се узети у обзир, на пример, при пројектовању великих челичних конструкција које се временом деформишу. Они су резултат распростирања материјала под дејством делујућих оптерећења и сопствене тежине.

Прецизна мерења дебљине бакарних лимова који покривају стрме кровове и витража у историјским црквама показала су да су ови елементи дебљи на дну него на врху. Ово је резултат струјаи бакра и стакла под сопственом тежином неколико стотина година. Реолошки феномени се такође користе у многим савременим и економичним производним технологијама. Пример је рециклажа пластике. Већина производа направљених од ових материјала тренутно се производи екструзијом, извлачењем и дувањем. Ово се ради након загревања материјала и притиска на њега одговарајућом брзином. Тако, између осталог, фолије, шипке, цеви, влакна, као и играчке и машински делови сложених облика. Веома важне предности ових метода су ниска цена и без отпада.