Kur ligji i Hukut nuk mjafton më...

Sipas ligjit të Hukut të njohur nga tekstet shkollore, zgjatja e një trupi duhet të jetë drejtpërdrejt proporcionale me stresin e aplikuar. Sidoqoftë, shumë materiale që kanë një rëndësi të madhe në teknologjinë moderne dhe jetën e përditshme vetëm përafërsisht përputhen me këtë ligj ose sillen krejtësisht ndryshe. Fizikanët dhe inxhinierët thonë se materiale të tilla kanë veti reologjike. Studimi i këtyre vetive do të jetë objekt i disa eksperimenteve interesante.

Reologjia është studimi i vetive të materialeve, sjellja e të cilave shkon përtej teorisë së elasticitetit bazuar në ligjin e lartpërmendur të Hooke. Kjo sjellje shoqërohet me shumë dukuri interesante. Këto përfshijnë, në veçanti: vonesën në kthimin e materialit në gjendjen e tij origjinale pas një rënie të tensionit, d.m.th., histereza elastike; rritja e zgjatjes së trupit në stres të vazhdueshëm, i quajtur ndryshe rrjedhje; ose një rritje e shumëfishtë e rezistencës ndaj deformimit dhe fortësisë së një trupi fillimisht plastik, deri në shfaqjen e vetive karakteristike të materialeve të brishtë.

sundimtar dembel

Njëri skaj i një vizoreje plastike 30 cm ose më shumë të gjatë është fiksuar në nofullat e vizës në mënyrë që vizore të jetë vertikale (Fig. 1). Ne hedhim fundin e sipërm të sundimtarit nga vertikali me vetëm disa milimetra dhe e lëshojmë atë. Vini re se pjesa e lirë e vizores lëkundet disa herë rreth pozicionit vertikal të ekuilibrit dhe kthehet në gjendjen e saj origjinale (Fig. 1a). Lëkundjet e vëzhguara janë harmonike, pasi në devijime të vogla madhësia e forcës elastike që vepron si forcë udhëzuese është drejtpërdrejt proporcionale me devijimin e skajit të vizores. Kjo sjellje e vizores përshkruhet nga teoria e elasticitetit. 

Oriz. 1. Studimi i histerezës elastike duke përdorur një vizore

1 – ambulanca,

2 – nofullat e vesit, A – devijimi i skajit të vizores nga vertikali

Në pjesën e dytë të eksperimentit, ne devijojmë skajin e sipërm të vizores me disa centimetra, e lëshojmë atë dhe vëzhgojmë sjelljen e tij (Fig. 1b). Tani ky fund po kthehet ngadalë në pozicionin e ekuilibrit. Kjo është për shkak të tejkalimit të kufirit elastik të materialit të vizorit. Ky efekt quhet histereza elastike. Ai konsiston në kthimin e ngadaltë të trupit të deformuar në gjendjen e tij origjinale. Nëse e përsërisim këtë eksperiment të fundit, duke e anuar edhe më shumë skajin e sipërm të vizores, do të zbulojmë se kthimi i tij do të jetë gjithashtu më i ngadalshëm dhe mund të zgjasë deri në disa minuta. Përveç kësaj, sundimtari nuk do të kthehet saktësisht në pozicionin vertikal dhe do të mbetet i përkulur përgjithmonë. Efektet e përshkruara në pjesën e dytë të eksperimentit janë vetëm një nga lëndët e kërkimit të reologjisë.

Zog ose merimangë që kthehet

Për përvojën tjetër, ne do të përdorim një lodër të lirë dhe të lehtë për t'u blerë (ndonjëherë edhe në kioska). Ai përbëhet nga një figurinë e sheshtë në formën e një zogu ose një kafshe tjetër, si një merimangë, e lidhur me një rrip të gjatë me një dorezë në formë unaze (Fig. 2a). E gjithë lodra është bërë nga një material elastik, i ngjashëm me gomën, që është pak ngjitës në prekje. Shiriti mund të shtrihet shumë lehtë, duke e rritur gjatësinë disa herë pa e grisur. Ne kryejmë një eksperiment pranë një sipërfaqe të lëmuar, si xhami pasqyre ose një mur mobiljesh. Me gishtat e njërës dorë, mbajeni dorezën dhe bëni një valë, duke hedhur kështu lodrën në një sipërfaqe të lëmuar. Do të vini re se figurina ngjitet në sipërfaqe dhe shiriti qëndron i tendosur. Ne vazhdojmë ta mbajmë dorezën me gishta për disa dhjetëra sekonda ose më shumë.

Oriz. 2. Një shembull i gjallë i histerezës elastike, i paraqitur duke përdorur një kryq kthimi

1 – figurinë e merimangës, 2 – brez elastik,

3 – dorezë, 4 – pëllëmbë, 5 – sipërfaqe e lëmuar

Pas ca kohësh, vërejmë se figurina do të dalë papritur nga sipërfaqja dhe, e tërhequr nga një kasetë e tkurrjes së nxehtësisë, do të kthehet shpejt në dorën tonë. Në këtë rast, si në eksperimentin e mëparshëm, ka gjithashtu një rënie të ngadaltë të tensionit, d.m.th., histerezë elastike. Forcat elastike të shiritit të shtrirë kapërcejnë forcat e ngjitjes së modelit në sipërfaqe, të cilat dobësohen me kalimin e kohës. Si rezultat, figura kthehet në dorë. Materiali i lodrës së përdorur në këtë eksperiment quhet nga reologët viskoelastike. Ky emër justifikohet me faktin se shfaq edhe veti ngjitëse - kur ngjitet në një sipërfaqe të lëmuar, dhe veti elastike - për shkak të të cilave shkëputet nga kjo sipërfaqe dhe kthehet në gjendjen e saj origjinale.

njeri zbritës

Foto 1. Një figurë që zbret nga një mur vertikal është gjithashtu një shembull i shkëlqyer i histerezës elastike.

Ky eksperiment do të përdorë gjithashtu një lodër lehtësisht të disponueshme të bërë nga materiali viskoelastik (foto 1). Është bërë në formën e një figure të një njeriu ose një merimangë. Ne e hedhim këtë lodër me gjymtyrë të vendosura dhe të kthyer përmbys në një sipërfaqe të sheshtë vertikale, mundësisht në një xhami, pasqyrë ose mur mobiljesh. Një objekt i hedhur ngjitet në këtë sipërfaqe. Pas njëfarë kohe, kohëzgjatja e së cilës varet, ndër të tjera, nga vrazhdësia e sipërfaqes dhe shpejtësia e hedhjes, pjesa e sipërme e lodrës del. Kjo ndodh si rezultat i asaj që u diskutua më parë. histereza elastike dhe veprimi i peshës së figurës, e cila zëvendëson forcën elastike të rripit, e cila ishte e pranishme në eksperimentin e mëparshëm.

Nën ndikimin e peshës, pjesa e shkëputur e lodrës përkulet dhe shkëputet më tej derisa pjesa të prekë përsëri sipërfaqen vertikale. Pas kësaj prekjeje, fillon ngjitja e radhës e figurës në sipërfaqe. Si rezultat, figura do të ngjitet përsëri, por në një pozicion me kokë poshtë. Proceset e përshkruara më poshtë përsëriten, me figurat që grisin në mënyrë alternative këmbët dhe më pas kokën. Efekti është që figura zbret përgjatë një sipërfaqe vertikale, duke bërë rrokullisje spektakolare.

Plastelina e lëngshme

Oriz. 3. Testi i rrjedhjes së plastelinës

a) situata fillestare, b) situata përfundimtare;

1 – pëllëmbë, 2 – pjesa e sipërme e plastelinës,

3 – tregues, 4 – shtrëngim, 5 – copë plastelinë e grisur

Në këtë dhe disa eksperimente të mëvonshme, ne do të përdorim plastelinën e disponueshme në dyqanet e lodrave, e njohur si "argjila magjike" ose "tricolin". Ziejmë një copë plastelinë në formë të ngjashme me trap, rreth 4 cm të gjatë dhe me diametër të pjesëve më të trasha brenda 1-2 cm dhe një diametër ngushtues rreth 5 mm (Fig. 3a). E kapim formimin me gishta nga skaji i sipërm i pjesës më të trashë dhe e mbajmë të palëvizur ose e varim vertikalisht pranë shënuesit të instaluar që tregon vendndodhjen e skajit të poshtëm të pjesës më të trashë.

Duke vëzhguar pozicionin e skajit të poshtëm të plastelinës, vërejmë se ajo po lëviz ngadalë poshtë. Në këtë rast, pjesa e mesme e plastelinës është e ngjeshur. Ky proces quhet rrjedhje ose zvarritje e materialit dhe konsiston në rritjen e zgjatjes së tij nën veprimin e stresit të vazhdueshëm. Në rastin tonë, ky stres shkaktohet nga pesha e pjesës së poshtme të trap plastelinë (Fig. 3b). Nga pikëpamja mikroskopike aktual ky është rezultat i një ndryshimi në strukturën e materialit që i nënshtrohet ngarkesave për një kohë mjaft të gjatë. Në një moment, forca e pjesës së ngushtuar është aq e vogël sa që thyhet vetëm nën peshën e pjesës së poshtme të plastelinës. Shkalla e rrjedhjes varet nga shumë faktorë, duke përfshirë llojin e materialit, sasinë dhe metodën e aplikimit të stresit në të.

Plastelina që përdorim është jashtëzakonisht e ndjeshme ndaj rrjedhjes dhe mund ta shohim me sy të lirë në vetëm disa dhjetëra sekonda. Vlen të shtohet se balta magjike u shpik rastësisht në Shtetet e Bashkuara të Amerikës, gjatë Luftës së Dytë Botërore, kur u bënë përpjekje për të prodhuar një material sintetik të përshtatshëm për prodhimin e gomave për automjete ushtarake. Si rezultat i polimerizimit jo të plotë, u përftua një material në të cilin një numër i caktuar molekulash ishin të palidhura, dhe lidhjet midis molekulave të tjera mund të ndryshonin lehtësisht pozicionin e tyre nën ndikimin e faktorëve të jashtëm. Këto lidhje "kërcuese" kontribuojnë në vetitë e mahnitshme të argjilës kërcyese.

top i humbur

Oriz. 4. Set për testimin e plastelinës për përhapjen dhe relaksimin e stresit:

a) situata fillestare, b) situata përfundimtare; 1 - top çeliku,

2 – enë transparente, 3 – plastelinë, 4 – bazë

Tani shtrydhni plastelinën magjike në një enë të vogël transparente, hapeni në krye, duke u siguruar që të mos ketë flluska ajri në të (Fig. 4a). Lartësia dhe diametri i anijes duhet të jetë disa centimetra. Në qendër të sipërfaqes së sipërme të plastelinës vendosim një top çeliku me diametër rreth 1,5 cm.E lëmë enën vetëm me topin. Çdo disa orë ne vëzhgojmë pozicionin e topit. Vini re se ajo shkon gjithnjë e më thellë në plastelinë, e cila, nga ana tjetër, shkon në hapësirën mbi sipërfaqen e topit.

Pas një kohe mjaft të gjatë, e cila varet nga: pesha e topit, lloji i plastelinës së përdorur, madhësia e topit dhe tepsisë, temperatura e ambientit, vërejmë se topi arrin në fund të tepsisë. Hapësira mbi topin do të mbushet plotësisht me plastelinë (Fig. 4b). Ky eksperiment tregon se materiali rrjedh dhe lehtësimin e stresit.

Duke kërcyer plastelinë

Formoni një top të brumit magjik dhe hidheni shpejt në një sipërfaqe të fortë si dyshemeja ose muri. Vërejmë me habi se plastelina kërcen nga këto sipërfaqe si një top gome që kërcen. Balta magjike është një trup që mund të shfaqë veti plastike dhe elastike. Varet nga sa shpejt ngarkesa do të veprojë mbi të.

Kur sforcimet aplikohen ngadalë, si në rastin e zierjes, ai shfaq veti plastike. Nga ana tjetër, kur forca zbatohet me shpejtësi, e cila ndodh kur përplaset me një dysheme ose mur, plastelina shfaq veti elastike. Balta magjike mund të quhet shkurtimisht një trup plastik-elastik.

Plasteline elastike

Foto 2. Efekti i shtrirjes së ngadaltë të argjilës magjike (gjatësia e fibrës së shtrirë është rreth 60 cm)

Këtë herë, formoni një cilindër magjik plastelinë me diametër rreth 1 cm dhe disa centimetra të gjatë. Merrni të dy skajet me gishtat e dorës së djathtë dhe të majtë dhe vendosni rulin horizontalisht. Pastaj ne i shtrijmë ngadalë krahët në anët në një vijë të drejtë, duke bërë që cilindri të shtrihet në drejtimin boshtor. Ne mendojmë se plastelina nuk ofron pothuajse asnjë rezistencë dhe vërejmë se ajo ngushtohet në mes.

Gjatësia e cilindrit të plastelinës mund të rritet në disa dhjetëra centimetra, derisa të formohet një fije e hollë në pjesën qendrore të saj, e cila do të thyhet me kalimin e kohës (foto 2). Kjo përvojë tregon se duke ushtruar ngadalë stres në një trup plastike-elastik, mund të shkaktohet një deformim shumë i madh pa e shkatërruar atë.

plastelinë e fortë

Përgatisim cilindrin magjik të plastelinës në të njëjtën mënyrë si në eksperimentin e mëparshëm dhe mbështjellim gishtat rreth skajeve të tij në të njëjtën mënyrë. Pasi të kemi përqendruar vëmendjen, ne i shtrijmë krahët në anët sa më shpejt që të jetë e mundur, duke dashur të shtrijmë ashpër cilindrin. Rezulton se në këtë rast ndjejmë një rezistencë shumë të lartë të plastelinës, dhe cilindri, çuditërisht, nuk zgjatet fare, por thyhet në gjysmën e gjatësisë së tij, sikur të ishte prerë me thikë (foto 3). Ky eksperiment tregon gjithashtu se natyra e deformimit të një trupi plastik-elastik varet nga shkalla e aplikimit të stresit.

Plastelina është e brishtë si xhami

Foto 3. Rezultati i shtrirjes së shpejtë të plastelinës magjike - mund të shihni shumë herë më pak zgjatim dhe një skaj të mprehtë, që të kujton një çarje në një material të brishtë

Ky eksperiment tregon edhe më qartë se si shkalla e stresit ndikon në vetitë e një trupi plastike-elastik. Formoni një top me diametër rreth 1,5 cm nga balta magjike dhe vendoseni në një bazë të fortë, masive, si p.sh. një pllakë çeliku të rëndë, kudhër ose dysheme betoni. Ngadalë goditni topin me një çekiç që peshon të paktën 0,5 kg (Fig. 5a). Rezulton se në këtë situatë topi sillet si një trup plastik dhe rrafshohet pasi një çekiç bie mbi të (Fig. 5b).

Plastelinën e rrafshuar e formojmë sërish në një top dhe e vendosim në pjatë si më parë. Sërish e godasim topin me çekiç, por këtë herë përpiqemi ta bëjmë sa më shpejt (Fig. 5c). Rezulton se topi i plastelinës në këtë rast sillet sikur të ishte prej një materiali të brishtë, si qelqi ose porcelani, dhe pas goditjes copëtohet në të gjitha drejtimet (Fig. 5d).

Makinë termike në shirita gome farmaceutike

Stresi në materialet reologjike mund të reduktohet duke rritur temperaturën e tyre. Ne do ta përdorim këtë efekt në një motor ngrohjeje me një parim të habitshëm funksionimi. Për ta montuar, do t'ju nevojiten: një kapak me vidë kavanozi prej kavanozi, një duzinë brezash të shkurtër gome, një gjilpërë të madhe, një copë fletë metalike të hollë drejtkëndëshe dhe një llambë me një llambë shumë të nxehtë. Fig.

Oriz. 5. Metoda për demonstrimin e plastelinës dhe vetive të brishtë të plastelinës

a) goditja e ngadaltë e topit b) goditja e ngadaltë

c) një goditje e shpejtë në top, d) efekti i një goditjeje të shpejtë;

1 – top plastelinë, 2 – pjatë e fortë dhe masive, 3 – çekiç,

v – shpejtësia e çekiçit

Në qendër të kësaj unaze vendosim një gjilpërë që është boshti dhe i vendosim shirita elastikë në mënyrë që në mes të gjatësisë të qëndrojnë kundër unazës dhe të shtrihen fort. Shiritat elastikë duhet të vendosen në mënyrë simetrike në unazë, kështu që fitohet një rrotë me fole të formuara nga breza elastikë. Përkulni një copë fletë metalike në formë kramponi me krahë të shtrirë, duke ju lejuar të vendosni rrethin e bërë më parë midis tyre dhe të mbuloni gjysmën e sipërfaqes së saj. Në njërën anë të konsolit, në të dy skajet vertikale, bëjmë një prerje që na lejon të vendosim boshtin e rrotës në të.

Vendosni boshtin e rrotës në prerjen e mbështetëses. Rrotullojmë timonin me gishta dhe kontrollojmë nëse është i balancuar, d.m.th. a ndalon në ndonjë pozicion. Nëse nuk është kështu, balanconi timonin duke zhvendosur pak vendin ku shiritat e gomës takohen me unazën. Vendosni kllapa në tavolinë dhe ndriçoni pjesën e rrethit që del nga harqet e tij me një llambë shumë të nxehtë. Rezulton se pas një kohe rrota fillon të rrotullohet.

Arsyeja e kësaj lëvizjeje është ndryshimi i vazhdueshëm i pozicionit të qendrës së masës së rrotës si rezultat i një efekti të quajtur reologë. relaksim i stresit termik.

Ky relaksim bazohet në faktin se një material elastik shumë i stresuar tkurret kur nxehet. Në motorin tonë, ky material është shirita gome në anën e rrotës që dalin nga kllapa e kllapës dhe nxehen nga një llambë. Si rezultat, qendra e masës së timonit zhvendoset në anën e mbuluar nga krahët mbështetës. Si rezultat i rrotullimit të timonit, shiritat e nxehtë të gomës bien midis shpatullave të mbështetëses dhe ftohen, pasi aty fshihen nga llamba. Gomat e ftohura zgjasin përsëri. Sekuenca e proceseve të përshkruara siguron rrotullimin e vazhdueshëm të timonit.

Jo vetëm eksperimente spektakolare

Oriz. 6. Dizajni i një motori termik të bërë nga shirita gome farmaceutike

a) pamje anësore

b) seksion sipas planit boshtor; 1 – unazë, 2 – gjilpërë, 3 – gomë farmaceutike,

4 – kllapa, 5 – prerje në kllapa, 6 – llambë

Tani reologji është një zonë me zhvillim të shpejtë të interesit si për fizikantët ashtu edhe për specialistët në fushën e shkencave teknike. Dukuritë reologjike në disa situata mund të kenë një efekt negativ në mjedisin në të cilin ndodhin dhe duhet të merren parasysh, për shembull, kur projektohen struktura të mëdha çeliku që deformohen me kalimin e kohës. Ato rezultojnë nga përhapja e materialit nën veprimin e ngarkesave vepruese dhe peshës së tij.

Matjet e sakta të trashësisë së fletëve të bakrit që mbulojnë çatitë e pjerrëta dhe dritaret me njolla në kishat historike kanë treguar se këta elementë janë më të trashë në fund se sa në krye. Ky është rezultati aktualsi bakri dhe qelqi nën peshën e tyre për disa qindra vjet. Fenomenet reologjike përdoren gjithashtu në shumë teknologji moderne dhe ekonomike të prodhimit. Një shembull është riciklimi i plastikës. Shumica e produkteve të bëra nga këto materiale aktualisht prodhohen me nxjerrje, tërheqje dhe derdhje me fryrje. Kjo bëhet pas ngrohjes së materialit dhe ushtrimit të presionit mbi të me një normë të zgjedhur siç duhet. Kështu, ndër të tjera, fletë, shufra, tuba, fibra, si dhe lodra dhe pjesë makinerish me forma komplekse. Përparësitë shumë të rëndësishme të këtyre metodave janë kostoja e ulët dhe mungesa e mbeturinave.