Kad Hookeov zakon više nije dovoljan...

Prema Hookeovom zakonu poznatom iz školskih udžbenika, produljenje tijela treba biti izravno proporcionalno primijenjenom naprezanju. Međutim, mnogi materijali koji su od velike važnosti u suvremenoj tehnologiji i svakodnevnom životu samo približno odgovaraju ovom zakonu ili se ponašaju potpuno drugačije. Fizičari i inženjeri kažu da takvi materijali imaju reološka svojstva. Proučavanje ovih svojstava bit će predmet nekih zanimljivih eksperimenata.

Reologija je proučavanje svojstava materijala čije ponašanje nadilazi teoriju elastičnosti temeljenu na spomenutom Hookeovom zakonu. Ovo ponašanje povezano je s mnogim zanimljivim pojavama. To uključuje, posebice: kašnjenje u povratku materijala u prvobitno stanje nakon pada napona, tj. elastičnu histerezu; povećanje produljenja tijela pri stalnom naprezanju, inače zvano protok; ili višestruko povećanje otpornosti na deformacije i tvrdoće početno plastičnog tijela, sve do pojave svojstava karakterističnih za krhke materijale.

lijeni vladar

Jedan kraj plastičnog ravnala duljine 30 cm ili više učvršćuje se u čeljusti škripca tako da ravnalo bude okomito (slika 1.). Gornji kraj ravnala odbacimo od vertikale za samo nekoliko milimetara i otpustimo ga. Imajte na umu da slobodni dio ravnala nekoliko puta oscilira oko okomite ravnotežne pozicije i vraća se u prvobitno stanje (slika 1a). Uočene oscilacije su harmonične, budući da je pri malim otklonima veličina elastične sile koja djeluje kao sila vođenja izravno proporcionalna otklonu kraja ravnala. Ovakvo ponašanje ravnala opisuje teorija elastičnosti. 

Riža. 1. Proučavanje elastične histereze pomoću ravnala

1 – vozilo hitne pomoći,

2 - čeljusti škripca, A - odstupanje kraja ravnala od okomice

U drugom dijelu pokusa otklonimo gornji kraj ravnala za nekoliko centimetara, otpustimo ga i promatramo njegovo ponašanje (slika 1b). Sada se ovaj kraj polako vraća u ravnotežni položaj. To je zbog viška granice elastičnosti materijala ravnala. Taj se učinak naziva elastična histereza. Sastoji se od sporog vraćanja deformiranog tijela u prvobitno stanje. Ako ponovimo ovaj posljednji eksperiment, još više nagnuvši gornji kraj ravnala, otkrit ćemo da će i njegovo vraćanje biti sporije i može potrajati i do nekoliko minuta. Osim toga, ravnalo se neće vratiti točno u okomiti položaj i ostat će trajno savijeno. Učinci opisani u drugom dijelu eksperimenta samo su jedan od njih predmeti istraživanja reologije.

Ptica ili pauk koji se vraća

Za sljedeće iskustvo koristit ćemo jeftinu i laku za kupnju igračku (ponekad čak i na kioscima). Sastoji se od ravne figurice u obliku ptice ili druge životinje, poput pauka, povezane dugačkim remenom s prstenastom ručkom (sl. 2a). Cijela igračka je izrađena od elastičnog materijala nalik na gumu koji je malo ljepljiv na dodir. Traka se može vrlo lako rastegnuti, povećavajući joj dužinu nekoliko puta bez kidanja. Eksperiment provodimo u blizini glatke površine, kao što je ogledalo ili zid namještaja. Prstima jedne ruke držite ručku i zamahnite i tako bacite igračku na glatku površinu. Primijetit ćete da se figurica lijepi za površinu, a traka ostaje zategnuta. Nastavljamo držati ručicu prstima nekoliko desetaka sekundi ili više.

Riža. 2. Živopisan primjer elastične histereze, prikazan pomoću povratnog križa

1 - figurica pauka, 2 - gumica,

3 - drška, 4 - dlan, 5 - površina

Nakon nekog vremena primjećujemo da će se figurica naglo odvojiti od površine i privučena termoskupljajućom trakom brzo se vratiti u našu ruku. U ovom slučaju, kao iu prethodnom eksperimentu, također dolazi do sporog raspadanja napona, tj. elastične histereze. Elastične sile rastegnute trake nadilaze sile prianjanja uzorka na površinu, koje s vremenom slabe. Kao rezultat toga, lik se vraća u ruku. Materijal igračke korišten u ovom eksperimentu reolozi nazivaju viskoelastična. Ovaj naziv je opravdan činjenicom da pokazuje i ljepljiva svojstva - kada se lijepi za glatku površinu, i elastična svojstva - zbog kojih se odvaja od te površine i vraća u prvobitno stanje.

silazni čovjek

Fotografija 1. Figurica koja se spušta niz okomiti zid također je izvrstan primjer elastične histereze.

U ovom eksperimentu također će se koristiti lako dostupna igračka od viskoelastičnog materijala (slika 1). Izrađen je u obliku lika čovjeka ili pauka. Ovu igračku bacamo s raspoređenim udovima i okrenutu naopako na ravnu okomitu površinu, po mogućnosti na staklo, ogledalo ili zid namještaja. Bačeni predmet zalijepi se za ovu površinu. Nakon nekog vremena, čije trajanje ovisi, između ostalog, o hrapavosti površine i brzini bacanja, vrh igračke se skida. To se događa kao rezultat onoga što je ranije raspravljano. elastična histereza te djelovanje težine figure, koja zamjenjuje elastičnu silu pojasa, koja je bila prisutna u prethodnom eksperimentu.

Pod utjecajem težine, odvojeni dio igračke se savija i dalje se lomi dok dio ponovno ne dodirne okomitu površinu. Nakon ovog dodira počinje sljedeće lijepljenje figure na površinu. Kao rezultat toga, lik će biti ponovno zalijepljen, ali u položaju s glavom prema dolje. Ponavljaju se dolje opisani procesi, a figure naizmjenično otkidaju noge, a zatim glavu. Učinak je da se lik spušta duž okomite površine, čineći spektakularne preokrete.

Tekući plastelin

Riža. 3. Ispitivanje protoka plastelina

a) početna situacija, b) konačna situacija;

1 - dlan, 2 - gornji dio plastelina,

3 - indikator, 4 - suženje, 5 - otkinuti komad plastelina

U ovom i nekoliko sljedećih eksperimenata koristit ćemo plastelin dostupan u trgovinama igračaka, poznat kao "čarobna glina" ili "tricolin". Umijesimo komad plastelina oblika sličnog bučici, dug oko 4 cm i promjera debljih dijelova unutar 1-2 cm i promjera suženja oko 5 mm (slika 3a). Lajsvu uhvatimo prstima za gornji kraj debljeg dijela i držimo je nepomično ili objesimo okomito uz postavljeni marker koji označava mjesto donjeg kraja debljeg dijela.

Promatrajući položaj donjeg kraja plastelina, primjećujemo da se polako pomiče prema dolje. U ovom slučaju, srednji dio plastelina je komprimiran. Taj se proces naziva strujanje ili puzanje materijala i sastoji se u povećanju njegovog istezanja pod djelovanjem stalnog naprezanja. U našem slučaju ovaj stres je uzrokovan težinom donjeg dijela bučice od plastelina (slika 3b). S mikroskopske točke gledišta struja to je rezultat promjene strukture materijala koji je bio izložen opterećenjima tijekom dovoljno dugog vremena. Čvrstoća suženog dijela u jednom trenutku je toliko mala da se lomi pod težinom samog donjeg dijela plastelina. Brzina protoka ovisi o mnogim čimbenicima, uključujući vrstu materijala, količinu i način nanošenja naprezanja na njega.

Plastelin koji koristimo iznimno je osjetljiv na tečenje, a golim okom ga možemo vidjeti za samo nekoliko desetaka sekundi. Vrijedi dodati da je čarobna glina izumljena slučajno u Sjedinjenim Državama, tijekom Drugog svjetskog rata, kada se pokušalo proizvesti sintetički materijal pogodan za proizvodnju guma za vojna vozila. Kao rezultat nepotpune polimerizacije dobiven je materijal u kojem je određeni broj molekula bio nevezan, a veze između ostalih molekula mogle su lako promijeniti svoj položaj pod utjecajem vanjskih čimbenika. Ove "poskakujuće" veze doprinose nevjerojatnim svojstvima poskakajuće gline.

zalutala lopta

Riža. 4. Set za testiranje plastelina za razmazivanje i opuštanje stresa:

a) početna situacija, b) završna situacija; 1 - čelična kugla,

2 - prozirna posuda, 3 - plastelin, 4 - baza

Sada istisnite čarobni plastelin u malu prozirnu posudu, otvorenu na vrhu, pazeći da u njoj nema mjehurića zraka (slika 4a). Visina i promjer posude trebaju biti nekoliko centimetara. U središte gornje površine plastelina stavite čeličnu kuglicu promjera oko 1,5 cm. Posudu s loptom ostavljamo samu. Svakih nekoliko sati promatramo položaj lopte. Imajte na umu da ide sve dublje u plastelin, koji zauzvrat ide u prostor iznad površine lopte.

Nakon dovoljno dugo vremena, što ovisi o: težini kuglice, vrsti upotrijebljenog plastelina, veličini kuglice i posude, temperaturi okoline, uočavamo da kuglica dopire do dna posude. Prostor iznad lopte bit će potpuno ispunjen plastelinom (slika 4b). Ovaj eksperiment pokazuje da materijal teče i otpustiti stres.

Plastelin za skakanje

Formirajte kuglu od čarobnog tijesta i brzo je bacite na tvrdu površinu kao što je pod ili zid. S iznenađenjem primjećujemo da se plastelin odbija od ovih površina poput skakuće gumene lopte. Čarobna glina je tijelo koje može pokazati i plastična i elastična svojstva. Ovisi o tome koliko će brzo opterećenje djelovati na njega.

Kada se naprezanja primjenjuju polagano, kao u slučaju gnječenja, pokazuje plastična svojstva. S druge strane, uz brzu primjenu sile, koja se javlja prilikom sudara s podom ili zidom, plastelin pokazuje elastična svojstva. Čarobna glina se ukratko može nazvati plastično-elastičnim tijelom.

Vlačni plastelin

Slika 2. Učinak sporog rastezanja čarobne gline (dužina rastegnutog vlakna je oko 60 cm)

Ovaj put oblikujte čarobni cilindar od plastelina promjera oko 1 cm i dužine nekoliko centimetara. Uzmite oba kraja prstima desne i lijeve ruke i postavite valjak vodoravno. Zatim polako raširimo ruke u stranu u jednoj ravnoj liniji, uzrokujući tako da se cilindar rasteže u aksijalnom smjeru. Osjećamo da plastelin gotovo ne pruža otpor, a primjećujemo da se u sredini sužava.

Duljina cilindra od plastelina može se povećati na nekoliko desetaka centimetara, sve dok se u njegovom središnjem dijelu ne formira tanka nit koja će se s vremenom prekinuti (slika 2). Ovo iskustvo pokazuje da se polaganim naprezanjem na plastično elastično tijelo može izazvati vrlo velika deformacija, a da se ne uništi.

tvrdi plastelin

Čarobni cilindar od plastelina pripremamo na isti način kao u prethodnom eksperimentu i na isti način omotamo prste oko njegovih krajeva. Usredotočivši pažnju, raširili smo ruke u strane što je brže moguće, želeći oštro istegnuti cilindar. Ispada da u ovom slučaju osjećamo vrlo visoku otpornost plastelina, a cilindar se, iznenađujuće, uopće ne izdužuje, već se lomi na pola svoje duljine, kao da je izrezan nožem (slika 3). Ovaj eksperiment također pokazuje da priroda deformacije plastično-elastičnog tijela ovisi o brzini primjene naprezanja.

Plastelin je krhak poput stakla

Slika 3. Rezultat brzog istezanja čarobnog plastelina - možete vidjeti mnogo puta manje istezanje i oštar rub, nalik na pukotinu u krhkom materijalu

Ovaj eksperiment još jasnije pokazuje kako brzina naprezanja utječe na svojstva plastično elastičnog tijela. Od čarobne gline oblikujte kuglu promjera oko 1,5 cm i stavite je na čvrstu, masivnu podlogu, kao što je teška čelična ploča, nakovanj ili betonski pod. Polako udarajte po loptici čekićem od najmanje 0,5 kg (slika 5a). Ispada da se u ovoj situaciji lopta ponaša kao plastično tijelo i spljošti se nakon što na nju padne čekić (slika 5b).

Spljošteni plastelin ponovno oblikujte u kuglu i stavite je na tanjur kao i prije. Opet udaramo po lopti čekićem, ali ovoga puta pokušavamo to učiniti što je brže moguće (slika 5c). Pokazalo se da se kuglica od plastelina u ovom slučaju ponaša kao da je napravljena od lomljivog materijala, poput stakla ili porculana, te se pri udaru raspada u komadiće u svim smjerovima (slika 5d).

Termalni stroj na farmaceutskim gumicama

Naprezanje u reološkim materijalima može se smanjiti podizanjem njihove temperature. Taj ćemo efekt koristiti u toplinskom stroju s iznenađujućim principom rada. Da biste ga sastavili, trebat će vam: čep na navoj od limene staklenke, desetak kratkih gumica, velika igla, pravokutni komad tankog lima i lampa s jako vrućom žaruljom. Dizajn motora prikazan je na slici 6. Da biste ga sastavili, izrežite srednji dio od poklopca tako da se dobije prsten.

Riža. 5. Metoda za dokazivanje plastelina i krhkih svojstava plastelina

a) sporo udaranje lopte b) sporo udaranje

c) brz udarac na loptu, d) učinak brzog udarca;

1 - kuglica od plastelina, 2 - čvrsta i masivna ploča, 3 - čekić,

v - brzina čekića

U središte ovog prstena stavljamo iglu, koja je os, i na nju stavljamo elastične trake tako da se sredinom njegove dužine naslanjaju na prsten i snažno se rastežu. Elastične trake treba postaviti simetrično na prsten, tako da se dobije kotač s žbicama formiranim od elastičnih traka. Komad lima savijte u oblik dereze s ispruženim rukama, omogućujući vam da između njih postavite prethodno napravljen krug i pokrijete polovicu njegove površine. Na jednoj strani konzole, na oba njena okomita ruba, napravimo izrez koji nam omogućuje da u nju postavimo osovinu kotača.

Postavite osovinu kotača u izrez oslonca. Prstima rotiramo kotač i provjeravamo je li uravnotežen, t.j. zaustavlja li se u bilo kojem položaju. Ako to nije slučaj, izbalansirajte kotač laganim pomicanjem mjesta gdje se gumene trake spajaju s prstenom. Stavite nosač na stol i jako vrućom svjetiljkom osvijetlite dio kruga koji strši iz njegovih lukova. Ispada da se nakon nekog vremena kotač počinje okretati.

Razlog ovog kretanja je stalna promjena položaja središta mase kotača kao posljedica efekta zvanog reolozi. opuštanje toplinskog stresa.

Ovo opuštanje temelji se na činjenici da se elastični materijal koji je pod velikim opterećenjem skuplja kada se zagrijava. U našem motoru, ovaj materijal su gumene trake na strani kotača koje vire iz nosača nosača i griju se žaruljom. Kao rezultat, središte mase kotača se pomiče na stranu koju pokrivaju potporni krakovi. Kao rezultat rotacije kotača, zagrijane gumene trake padaju između ramena nosača i hlade se, jer su tamo skrivene od žarulje. Ohlađene gumice se ponovno produžuju. Slijed opisanih procesa osigurava kontinuiranu rotaciju kotača.

Ne samo spektakularni eksperimenti

Riža. 6. Dizajn toplinskog motora izrađenog od farmaceutskih gumica

a) pogled sa strane

b) presjek aksijalnom ravninom; 1 - prsten, 2 - igla, 3 - farmaceutska gumica,

4 - nosač, 5 - izrez u nosaču, 6 - žarulja

Sada reologije je brzo razvijajuće područje od interesa i za fizičare i za stručnjake u području tehničkih znanosti. Reološke pojave u nekim situacijama mogu imati nepovoljan učinak na okoliš u kojem se javljaju i moraju se uzeti u obzir, primjerice, pri projektiranju velikih čeličnih konstrukcija koje se tijekom vremena deformiraju. Oni proizlaze iz rasprostiranja materijala pod djelovanjem opterećenja i vlastite težine.

Točna mjerenja debljine bakrenih limova koji pokrivaju strme krovove i vitraje u povijesnim crkvama pokazala su da su ti elementi deblji pri dnu nego na vrhu. Ovo je rezultat strujai bakra i stakla pod vlastitom težinom nekoliko stotina godina. Reološki fenomeni se također koriste u mnogim modernim i ekonomičnim proizvodnim tehnologijama. Primjer je recikliranje plastike. Većina proizvoda izrađenih od ovih materijala trenutno se proizvodi ekstruzijom, izvlačenjem i puhanjem. To se radi nakon zagrijavanja materijala i pritiska na njega odgovarajućom brzinom. Tako, između ostalog, folije, šipke, cijevi, vlakna, kao i igračke i dijelovi strojeva složenih oblika. Vrlo važne prednosti ovih metoda su niska cijena i bez otpada.