Hooke Yasası artık yeterli olmadığında...

Okul kitaplarından bilinen Hooke yasasına göre, bir cismin uzaması uygulanan stresle doğru orantılı olmalıdır. Ancak modern teknolojide ve günlük yaşamda büyük önem taşıyan birçok malzeme bu yasaya ancak yaklaşık olarak uymakta veya tamamen farklı davranmaktadır. Fizikçiler ve mühendisler, bu tür malzemelerin reolojik özelliklere sahip olduğunu söylüyorlar. Bu özelliklerin incelenmesi bazı ilginç deneylerin konusu olacaktır.

Reoloji, yukarıda bahsedilen Hooke yasasına dayanan elastikiyet teorisinin ötesine geçen malzemelerin özelliklerinin incelenmesidir. Bu davranış birçok ilginç fenomenle ilişkilidir. Bunlar, özellikle şunları içerir: bir voltaj düşüşünden sonra malzemenin orijinal durumuna dönüşündeki gecikme, yani elastik histerezis; aksi halde akış olarak adlandırılan sabit gerilimde vücut uzamasında artış; veya kırılgan malzemelerin karakteristik özelliklerinin görünümüne kadar, başlangıçta plastik bir gövdenin deformasyona ve sertliğine karşı direncinde çoklu bir artış.

tembel cetvel

30 cm veya daha uzun plastik bir cetvelin bir ucu, cetvel dikey olacak şekilde mengene çenelerine sabitlenir (Şekil 1). Cetvelin üst ucunu dikeyden sadece birkaç milimetre reddedip serbest bırakıyoruz. Cetvelin serbest kısmının dikey denge pozisyonu etrafında birkaç kez salınım yaptığına ve orijinal durumuna geri döndüğüne dikkat edin (Şekil 1a). Gözlenen salınımlar harmoniktir, çünkü küçük sapmalarda kılavuz kuvvet olarak hareket eden elastik kuvvetin büyüklüğü cetvelin ucunun sapması ile doğru orantılıdır. Cetvelin bu davranışı esneklik teorisi ile açıklanır. 

Pirinç. 1. Bir cetvel kullanarak elastik histerezis çalışması

1 – ambulans,

2 - mengene çeneleri, A - cetvelin ucunun dikeyden sapması

Deneyin ikinci bölümünde, cetvelin üst ucunu birkaç santimetre saptırıyor, serbest bırakıyor ve davranışını gözlemliyoruz (Şekil 1b). Şimdi bu uç yavaş yavaş denge konumuna geri dönüyor. Bunun nedeni, cetvel malzemesinin elastik sınırının fazla olmasıdır. Bu etkiye denir elastik histerezis. Deforme olmuş cismin orijinal durumuna yavaş geri dönmesinden oluşur. Cetvelin üst ucunu daha fazla eğerek bu son deneyi tekrarlarsak, geri dönüşünün de daha yavaş olacağını ve birkaç dakika kadar sürebileceğini göreceğiz. Ayrıca cetvel tam olarak dikey konuma dönmeyecek ve kalıcı olarak bükülü kalacaktır. Deneyin ikinci bölümünde açıklanan etkiler sadece bir tanesidir. reoloji araştırma konuları.

Geri dönen kuş veya örümcek

Bir sonraki deneyim için ucuz ve satın alınması kolay bir oyuncak kullanacağız (bazen kiosklarda bile mevcut). Halka şeklinde kulplu uzun bir kayışla birbirine bağlanan kuş veya örümcek gibi başka bir hayvan şeklinde yassı bir heykelcikten oluşur (Şek. 2a). Tüm oyuncak, dokunuşa hafifçe yapışan esnek, kauçuk benzeri bir malzemeden yapılmıştır. Bant, yırtılmadan uzunluğunu birkaç kez artırarak çok kolay bir şekilde gerilebilir. Ayna camı veya mobilya duvarı gibi pürüzsüz bir yüzeyin yakınında bir deney yapıyoruz. Bir elin parmaklarıyla sapı tutun ve bir dalga yapın, böylece oyuncağı pürüzsüz bir yüzeye fırlatın. Heykelciğin yüzeye yapıştığını ve bandın gergin kaldığını fark edeceksiniz. Kolu parmaklarımızla birkaç on saniye veya daha fazla tutmaya devam ediyoruz.

Pirinç. 2. Bir dönüş çaprazı kullanılarak gösterilen canlı bir elastik histerezis örneği

1 - örümcek heykelcik, 2 - lastik bant,

3 - tutamak, 4 - avuç içi, 5 - yüzey

Bir süre sonra, heykelciğin aniden yüzeyden çıkacağını ve ısıyla daralan bir bant tarafından çekilip hızla elimize döneceğini fark ediyoruz. Bu durumda, önceki deneyde olduğu gibi, ayrıca yavaş bir voltaj düşüşü, yani elastik histerezis vardır. Gerilmiş bandın elastik kuvvetleri, desenin zamanla zayıflayan yüzeye yapışma kuvvetlerinin üstesinden gelir. Sonuç olarak, rakam ele geri döner. Bu deneyde kullanılan oyuncağın malzemesine reologlar tarafından viskoelastik. Bu isim, hem pürüzsüz bir yüzeye yapıştığında yapışkan özellikler hem de bu yüzeyden ayrılarak orijinal durumuna geri döndüğü için elastik özellikler sergilemesiyle haklı çıkar.

inen adam

Fotoğraf 1. Dikey bir duvara inen bir heykelcik de elastik histerezisin harika bir örneğidir.

Bu deneyde ayrıca viskoelastik malzemeden yapılmış hali hazırda bulunan bir oyuncak kullanılacaktır (fotoğraf 1). Bir erkek veya bir örümcek figürü şeklinde yapılır. Bu oyuncağı açılmış uzuvlarla atıyoruz ve düz bir dikey yüzeye, tercihen bir cam, ayna veya mobilya duvarına ters çeviriyoruz. Fırlatılan bir nesne bu yüzeye yapışır. Süresi, diğer şeylerin yanı sıra, yüzeyin pürüzlülüğüne ve fırlatma hızına bağlı olan bir süre sonra, oyuncağın üst kısmı çıkar. Bu, daha önce tartışılanların bir sonucu olarak olur. elastik histerezis ve önceki deneyde mevcut olan kayışın elastik kuvvetinin yerini alan şeklin ağırlığının hareketi.

Ağırlığın etkisi altında, oyuncağın kopan kısmı aşağı doğru eğilir ve parça tekrar dikey yüzeye değene kadar daha da kırılır. Bu dokunuştan sonra figürün bir sonraki yüzeye yapıştırılması başlar. Sonuç olarak, şekil tekrar yapıştırılacak, ancak baş aşağı konumda olacaktır. Aşağıda açıklanan işlemler, şekiller dönüşümlü olarak bacakları ve ardından başı kopararak tekrarlanır. Bunun etkisi, figürün dikey bir yüzey boyunca alçalması ve muhteşem dönüşler yapmasıdır.

sıvı hamuru

Pirinç. 3. Hamuru akış testi

a) ilk durum, b) nihai durum;

1 - avuç içi, 2 - hamurun üst kısmı,

3 - gösterge, 4 - daralma, 5 - yırtık hamuru parçası

Bu ve sonraki birkaç deneyde, "sihirli kil" veya "trikolin" olarak bilinen oyuncak mağazalarında bulunan hamuru kullanacağız. Yaklaşık 4 cm uzunluğunda ve 1-2 cm içinde daha kalın parçaların çapı ve yaklaşık 5 mm daralma çapı olan bir dambıl şeklinde bir parça hamuru yoğuruyoruz (Şekil 3a). Kalıbı kalın parçanın üst ucundan parmaklarımızla tutup hareketsiz tutuyoruz veya daha kalın parçanın alt ucunun yerini gösteren takılı işaretleyicinin yanına dikey olarak asıyoruz.

Hamuru alt ucunun konumunu gözlemleyerek, yavaşça aşağı doğru hareket ettiğini not ediyoruz. Bu durumda hamurun orta kısmı sıkıştırılır. Bu sürece malzemenin akışı veya sürünmesi denir ve sabit stres etkisi altında uzamasının arttırılmasından oluşur. Bizim durumumuzda bu stres, hamuru dambılın alt kısmının ağırlığından kaynaklanır (Şekil 3b). Mikroskobik bir bakış açısından akım bu, yeterince uzun bir süre boyunca yüklere maruz kalan malzemenin yapısındaki bir değişikliğin sonucudur. Bir noktada, daralmış parçanın gücü o kadar küçüktür ki, yalnızca hamurun alt kısmının ağırlığı altında kırılır. Akış hızı, malzemenin türü, malzemeye stres uygulama miktarı ve yöntemi gibi birçok faktöre bağlıdır.

Kullandığımız hamuru akmaya karşı son derece hassastır ve onu çıplak gözle sadece birkaç on saniye içinde görebiliriz. Sihirli kilin, II. Dünya Savaşı sırasında, askeri araçlar için lastik üretimine uygun sentetik bir malzeme üretme girişimlerinin yapıldığı Amerika Birleşik Devletleri'nde tesadüfen icat edildiğini eklemeye değer. Eksik polimerizasyon sonucunda, belirli sayıda molekülün bağlanmadığı ve diğer moleküller arasındaki bağların dış etkenlerin etkisi altında konumlarını kolayca değiştirebildiği bir malzeme elde edildi. Bu "zıplayan" bağlantılar, zıplayan kilin şaşırtıcı özelliklerine katkıda bulunur.

başıboş top

Pirinç. 4. Hamuru yayma ve gerilim gevşemesi için test etme seti:

a) başlangıç ​​durumu, b) nihai durum; 1 - çelik bilye,

2 - şeffaf kap, 3 - hamuru, 4 - taban

Şimdi sihirli hamuru küçük şeffaf bir kaba sıkın, üstte açık, içinde hava kabarcığı olmadığından emin olun (Şekil 4a). Geminin yüksekliği ve çapı birkaç santimetre olmalıdır. Hamurun üst yüzeyinin ortasına yaklaşık 1,5 cm çapında bir çelik bilye yerleştirin.Kabı bilye ile yalnız bırakıyoruz. Birkaç saatte bir topun konumunu gözlemleriz. Hamuru daha derine ve daha derine indiğini ve bunun da topun yüzeyinin üzerindeki boşluğa girdiğini unutmayın.

Yeterince uzun bir süre sonra, buna bağlı olarak: topun ağırlığı, kullanılan hamurun türü, topun ve kabın boyutu, ortam sıcaklığı, topun kabın dibine ulaştığını fark ederiz. Topun üzerindeki boşluk tamamen hamuru ile doldurulacaktır (Şekil 4b). Bu deney, malzemenin aktığını ve stresi azaltmak.

atlama hamuru

Bir sihirli oyun hamuru topu oluşturun ve bunu zemin veya duvar gibi sert bir yüzeye hızla atın. Hamurun bu yüzeylerden zıplayan bir lastik top gibi sıçradığını hayretle fark ediyoruz. Sihirli kil, hem plastik hem de elastik özellikler gösterebilen bir gövdedir. Yükün ne kadar hızlı etki edeceğine bağlıdır.

Gerilmeler yavaş uygulandığında yoğurmada olduğu gibi plastik özellik gösterir. Öte yandan, bir zemine veya duvara çarptığında meydana gelen hızlı kuvvet uygulaması ile hamuru elastik özellikler gösterir. Sihirli kil kısaca plastik-elastik gövde olarak adlandırılabilir.

çekme hamuru

Fotoğraf 2. Sihirli kilin yavaş gerilmesinin etkisi (gerilmiş lifin uzunluğu yaklaşık 60 cm'dir)

Bu sefer, yaklaşık 1 cm çapında ve birkaç santimetre uzunluğunda sihirli bir hamuru silindir oluşturun. Sağ ve sol elinizin parmaklarıyla iki ucunu alın ve silindiri yatay olarak ayarlayın. Daha sonra kollarımızı tek bir düz çizgide yanlara doğru yavaşça yayarak silindirin eksenel yönde gerilmesini sağlıyoruz. Hamuru neredeyse hiç direnç göstermediğini hissediyoruz ve ortada daraldığını fark ediyoruz.

Hamuru silindirin uzunluğu, orta kısmında zamanla kırılacak olan ince bir iplik oluşana kadar birkaç on santimetreye çıkarılabilir (fotoğraf 2). Bu deneyim, plastik-elastik bir gövdeye yavaşça stres uygulayarak, onu yok etmeden çok büyük bir deformasyona neden olabileceğini göstermektedir.

sert hamuru

Sihirli hamuru silindiri bir önceki deneydeki gibi hazırlıyoruz ve parmaklarımızı uçlarına aynı şekilde sarıyoruz. Dikkatimizi yoğunlaştırdıktan sonra, silindiri keskin bir şekilde germek için kollarımızı mümkün olduğunca çabuk yanlara yayarız. Bu durumda, hamuru çok yüksek bir direnç hissettiğimiz ortaya çıkıyor ve silindir şaşırtıcı bir şekilde hiç uzamıyor, ancak bir bıçakla kesilmiş gibi uzunluğunun yarısında kırılıyor (fotoğraf 3). Bu deney aynı zamanda plastik-elastik bir cismin deformasyonunun doğasının stres uygulamasının hızına bağlı olduğunu da gösterir.

Hamuru cam gibi kırılgandır

Fotoğraf 3. Sihirli hamurun hızlı gerilmesinin sonucu - birçok kez daha az uzama ve kırılgan bir malzemedeki bir çatlağa benzeyen keskin bir kenar görebilirsiniz.

Bu deney, stres oranının plastik-elastik bir cismin özelliklerini nasıl etkilediğini daha da açık bir şekilde göstermektedir. Sihirli kilden yaklaşık 1,5 cm çapında bir top oluşturun ve ağır çelik levha, örs veya beton zemin gibi sağlam, büyük bir taban üzerine yerleştirin. En az 0,5 kg ağırlığındaki bir çekiçle topa yavaşça vurun (Şekil 5a). Bu durumda topun plastik bir cisim gibi davrandığı ve üzerine bir çekiç düştükten sonra düzleştiği ortaya çıktı (Şekil 5b).

Düzleştirilmiş hamuru tekrar bir top haline getirin ve daha önce olduğu gibi tabağa koyun. Yine topa çekiçle vuruyoruz ama bu sefer olabildiğince çabuk yapmaya çalışıyoruz (Şekil 5c). Bu durumda hamuru topun, cam veya porselen gibi kırılgan bir malzemeden yapılmış gibi davrandığı ve çarpma üzerine her yöne parçalandığı ortaya çıktı (Şekil 5d).

Farmasötik lastik bantlar üzerinde termal makine

Reolojik malzemelerdeki stres, sıcaklıkları yükseltilerek azaltılabilir. Bu etkiyi şaşırtıcı bir çalışma prensibine sahip bir ısı motorunda kullanacağız. Birleştirmek için ihtiyacınız olacak: bir teneke kavanoz vidalı kapağı, bir düzine kadar kısa lastik bant, büyük bir iğne, dikdörtgen bir ince sac parçası ve çok sıcak ampullü bir lamba. Motorun tasarımı Şekil 6'da gösterilmiştir. Montajı için kapaktan orta kısmı keserek bir halka elde edin.

Pirinç. 5. Hamuru ve hamuru kırılgan özelliklerini gösterme yöntemi

a) topa yavaş vurmak b) yavaş vurmak

c) topa hızlı bir vuruş, d) hızlı bir vuruşun etkisi;

1 - hamuru top, 2 - katı ve masif levha, 3 - çekiç,

v - çekiç hızı

Bu halkanın ortasına eksen olan bir iğne koyarız ve üzerine elastik bantlar koyarız, böylece uzunluğunun ortasında halkaya yaslanır ve kuvvetlice gerilir. Elastik bantlar halka üzerine simetrik olarak yerleştirilmelidir, böylece lastik bantlardan oluşan kollu bir tekerlek elde edilir. Bir parça metal levhayı, kollar uzatılmış haldeyken krampon şeklinde bükerek, aralarına önceden yapılmış daireyi yerleştirmenize ve yüzeyinin yarısını kaplamanıza izin verin. Konsolun bir tarafında, her iki dikey kenarında, tekerlek aksını içine yerleştirmemize izin veren bir oyuk açıyoruz.

Tekerlek aksını desteğin oyuğuna yerleştirin. Tekerleği parmaklarımızla döndürüyoruz ve dengeli olup olmadığını kontrol ediyoruz, yani. herhangi bir pozisyonda duruyor mu? Durum böyle değilse, lastik bantların halkayla birleştiği yeri hafifçe kaydırarak tekerleği dengeleyin. Braketi masanın üzerine koyun ve dairenin kemerlerinden çıkan kısmını çok sıcak bir lamba ile aydınlatın. Bir süre sonra çarkın dönmeye başladığı ortaya çıkıyor.

Bu hareketin nedeni, reolog adı verilen bir etki sonucunda tekerleğin kütle merkezinin konumunun sürekli değişmesidir. termal stres gevşemesi.

Bu gevşeme, yüksek gerilimli elastik bir malzemenin ısıtıldığında büzülmesine dayanır. Motorumuzda bu malzeme, braket braketinden çıkıntı yapan ve bir ampul ile ısıtılan tekerlek tarafındaki lastik bantlardır. Sonuç olarak, tekerleğin kütle merkezi, destek kolları tarafından kapsanan tarafa kaydırılır. Tekerleğin dönmesinin bir sonucu olarak, ısıtılmış lastik bantlar desteğin omuzları arasına düşer ve orada ampulden gizlendikleri için soğur. Soğuyan silgiler tekrar uzar. Açıklanan işlemlerin sırası, tekerleğin sürekli dönmesini sağlar.

Sadece muhteşem deneyler değil

Pirinç. 6. Farmasötik lastik bantlardan yapılmış bir ısı motorunun tasarımı

a) yandan görünüş

b) bir eksen düzlemi ile kesit; 1 - halka, 2 - iğne, 3 - farmasötik silgi,

4 - braket, 5 - braketteki kesik, 6 - ampul

Şimdi reoloji hem fizikçilerin hem de teknik bilimler alanındaki uzmanların hızla gelişen bir ilgi alanıdır. Bazı durumlarda reolojik olaylar meydana geldikleri çevre üzerinde olumsuz bir etkiye sahip olabilir ve örneğin zamanla deforme olan büyük çelik yapılar tasarlanırken dikkate alınmalıdır. Malzemenin, hareket eden yüklerin ve kendi ağırlığının etkisi altında yayılmasından kaynaklanırlar.

Tarihi kiliselerde dik çatıları ve vitray pencereleri kaplayan bakır levhaların kalınlığının doğru ölçümleri, bu elemanların altta üstten daha kalın olduğunu göstermiştir. sonuç bu akımhem bakır hem de cam, birkaç yüz yıldır kendi ağırlıkları altında. Reolojik olaylar, birçok modern ve ekonomik üretim teknolojisinde de kullanılmaktadır. Bir örnek plastik geri dönüşümüdür. Bu malzemelerden yapılan çoğu ürün şu anda ekstrüzyon, çekme ve şişirme ile üretilmektedir. Bu, malzemeyi ısıttıktan ve uygun şekilde seçilmiş bir oranda basınç uyguladıktan sonra yapılır. Böylece, diğer şeylerin yanı sıra, folyolar, çubuklar, borular, lifler ve ayrıca karmaşık şekillere sahip oyuncaklar ve makine parçaları. Bu yöntemlerin çok önemli avantajları düşük maliyetli ve atık olmamasıdır.