Гук заңы жеткіліксіз болған кезде...

Мектеп оқулықтарынан белгілі Гук заңы бойынша дененің ұзаруы түсірілген кернеуге тура пропорционал болуы керек. Дегенмен, қазіргі заманғы технологиялар мен күнделікті өмірде үлкен маңызға ие көптеген материалдар шамамен осы заңға сәйкес келеді немесе мүлдем басқаша әрекет етеді. Физиктер мен инженерлер мұндай материалдардың реологиялық қасиеттері бар екенін айтады. Бұл қасиеттерді зерттеу қызықты эксперименттердің тақырыбы болады.

Реология жоғарыда аталған Гук заңына негізделген икемділік теориясының шегінен шығатын материалдардың қасиеттерін зерттейді. Бұл мінез-құлық көптеген қызықты құбылыстармен байланысты. Оларға, атап айтқанда: кернеудің төмендеуінен кейін материалдың бастапқы күйіне оралуының кешігуі, яғни серпімді гистерезис; тұрақты кернеу кезінде дененің ұзаруының жоғарылауы, басқаша ағын деп аталады; немесе сынғыш материалдарға тән қасиеттер пайда болғанға дейін бастапқы пластикалық дененің деформацияға төзімділігі мен қаттылығының бірнеше есе жоғарылауы.

жалқау билеуші

Ұзындығы 30 см немесе одан да көп пластикалық сызғыштың бір шеті сызғыш тік болатындай етіп тірек жақтарына бекітіледі (Cурет 1). Біз сызғыштың жоғарғы ұшын вертикальдан бірнеше миллиметрге ғана қабылдамай, оны босатамыз. Сызғыштың бос бөлігі тік тепе-теңдік жағдайының айналасында бірнеше рет тербеліп, бастапқы күйіне оралатынын ескеріңіз (1а-сурет). Бақыланатын тербелістер гармоникалық болып табылады, өйткені кішігірім ауытқуларда бағыттаушы күш ретінде әрекет ететін серпімділік күшінің шамасы сызғыш ұшының иілуіне тура пропорционал болады. Сызғыштың бұл әрекетін серпімділік теориясы сипаттайды. 

Күріш. 1. Сызғышты пайдаланып серпімді гистерезисті зерттеу

1 – жедел жәрдем,

2 – ілмек жақтары, А – сызғыш ұшының вертикальдан ауытқуы

Тәжірибенің екінші бөлігінде сызғыштың жоғарғы ұшын бірнеше сантиметрге бұрып, оны босатып, оның әрекетін бақылаймыз (1б-сурет). Енді бұл ақырындап тепе-теңдік жағдайына оралады. Бұл сызғыш материалының серпімділік шегінің асып кетуіне байланысты. Бұл әсер деп аталады серпімді гистерезис. Ол деформацияланған дененің бастапқы күйіне баяу оралуынан тұрады. Сызғыштың үстіңгі ұшын одан да еңкейту арқылы осы соңғы тәжірибені қайталасақ, оның қайтарылуы да баяу болатынын және бірнеше минутқа созылуы мүмкін екенін көреміз. Сонымен қатар, сызғыш дәл тік күйге оралмайды және үнемі иілген күйде қалады. Эксперименттің екінші бөлімінде сипатталған әсерлер тек біреуі ғана реологияның зерттеу пәндері.

Қайтып келе жатқан құс немесе өрмекші

Келесі тәжірибе үшін біз арзан және оңай сатып алынатын ойыншықты қолданамыз (кейде дүңгіршектерде де бар). Ол сақина тәрізді сабы бар ұзын баумен жалғанған құс немесе басқа жануар, мысалы, өрмекші түріндегі жалпақ мүсіншеден тұрады (2а-сурет). Бүкіл ойыншық ұстағанда сәл жабысатын серпімді, резеңке тәрізді материалдан жасалған. Таспаны өте оңай созуға болады, оның ұзындығын жыртпай бірнеше есе арттырады. Біз айна шыны немесе жиһаз қабырғасы сияқты тегіс бетке жақын жерде тәжірибе жасаймыз. Бір қолдың саусақтарымен тұтқаны ұстап, толқын жасаңыз, осылайша ойыншықты тегіс бетке лақтырыңыз. Сіз мүсіншенің бетіне жабысып, таспаның тартылып тұрғанын байқайсыз. Біз тұтқаны саусақтармен бірнеше ондаған секунд немесе одан да көп ұстауды жалғастырамыз.

Күріш. 2. Кері крест арқылы көрсетілген серпімді гистерезистің жарқын мысалы

1 - өрмекші мүсінше, 2 - резеңке таспа,

3 - тұтқа, 4 - алақан, 5 - беті

Біраз уақыттан кейін біз мүсіншенің кенеттен бетінен шығып, жылуды азайтатын таспамен тартылып, тез арада қолымызға оралатынын байқаймыз. Бұл жағдайда, алдыңғы тәжірибедегідей, кернеудің баяу ыдырауы, яғни серпімді гистерезис бар. Созылған таспаның серпімді күштері өрнектің бетіне жабысу күштерін жеңеді, олар уақыт өте келе әлсірейді. Нәтижесінде фигура қолға оралады. Бұл тәжірибеде қолданылған ойыншықтың материалын реологтар деп атайды тұтқыр серпімді. Бұл атау оның біркелкі бетке жабысқанда жабысқақ қасиетін де, серпімділік қасиетін де көрсетуімен ақталады, соның арқасында ол осы бетінен үзіліп, бастапқы қалпына келеді.

түсетін адам

Фото 1. Тік қабырғадан түсіп жатқан мүсінше де серпімді гистерезистің тамаша үлгісі болып табылады.

Бұл тәжірибеде тұтқыр серпімді материалдан жасалған оңай қол жетімді ойыншық қолданылады (фото 1). Ол адам немесе өрмекші фигурасы түрінде жасалған. Біз бұл ойыншықты аяқ-қолдармен лақтырамыз және тегіс тік бетке, жақсырақ шыныға, айнаға немесе жиһаз қабырғасына төңкеріп тастаймыз. Бұл бетке лақтырылған зат жабысып қалады. Біраз уақыттан кейін, оның ұзақтығы басқа нәрселермен қатар, бетінің кедір-бұдырына және лақтыру жылдамдығына байланысты, ойыншықтың үстіңгі жағы шығады. Бұл бұрын талқыланған нәрсенің нәтижесінде орын алады. серпімді гистерезис және алдыңғы тәжірибеде болған белдіктің серпімділік күшін алмастыратын фигураның салмағының әрекеті.

Салмақ әсерінен ойыншықтың ажырап қалған бөлігі тік бетке қайтадан тигенше еңкейіп, одан әрі үзіледі. Осы жанасудан кейін фигураның бетіне келесі желімдеу басталады. Нәтижесінде фигура қайтадан желімделетін болады, бірақ басын төмен түсіретін күйде болады. Төменде сипатталған процестер қайталанады, фигуралар кезекпен аяқты, содан кейін басын жұлып алады. Әсері мынада, фигураның тік бет бойымен төмен түсіп, керемет айналдыруы.

Сұйық пластилин

Күріш. 3. Пластилин ағынының сынағы

а) бастапқы жағдай, ә) соңғы жағдай;

1 - алақан, 2 - пластилиннің жоғарғы бөлігі,

3 - индикатор, 4 - тарылу, 5 - пластилиннің жыртылған бөлігі

Осы және одан кейінгі бірнеше тәжірибелерде біз ойыншық дүкендеріндегі «сиқырлы саз» немесе «триколин» деп аталатын пластилинді қолданамыз. Біз пластилиннің бір бөлігін гантельге ұқсас пішінде, ұзындығы шамамен 4 см және диаметрі 1-2 см шегінде қалың бөліктердің диаметрі және тарылу диаметрі шамамен 5 мм (3а-сурет) илейміз. Қалың бөліктің жоғарғы ұшынан саусағымызбен қалыптан ұстап, оны қозғалыссыз ұстаймыз немесе қалың бөліктің төменгі ұшының орнын көрсететін орнатылған маркердің жанына тігінен іліп қоямыз.

Пластилиннің төменгі ұшының жағдайын бақылай отырып, біз оның баяу төмен қозғалатынын байқаймыз. Бұл жағдайда пластилиннің ортаңғы бөлігі қысылады. Бұл процесс материалдың ағыны немесе сусымалысы деп аталады және тұрақты кернеу әсерінен оның ұзаруын арттырудан тұрады. Біздің жағдайда бұл кернеу пластилинді гантельдің төменгі бөлігінің салмағынан туындайды (3б-сурет). Микроскопиялық тұрғыдан ағымдағы бұл жеткілікті ұзақ уақыт бойы жүктемелерге ұшыраған материал құрылымының өзгеруінің нәтижесі. Бір сәтте тарылған бөліктің күші соншалықты аз, ол тек пластилиннің төменгі бөлігінің салмағынан үзіледі. Ағынның жылдамдығы көптеген факторларға, соның ішінде материалдың түріне, оған кернеуді қолданудың мөлшері мен әдісіне байланысты.

Біз қолданатын пластилин ағынға өте сезімтал және біз оны жай көзбен бірнеше ондаған секундта көре аламыз. Айта кету керек, сиқырлы саз Америка Құрама Штаттарында, Екінші дүниежүзілік соғыс кезінде, әскери көліктерге арналған шиналарды өндіруге жарамды синтетикалық материалды шығару әрекеті жасалған кезде кездейсоқ ойлап тапты. Толық емес полимерлену нәтижесінде молекулалардың белгілі бір саны байланыспаған, ал басқа молекулалар арасындағы байланыс сыртқы факторлардың әсерінен өз орнын оңай өзгертетін материал алынды. Бұл «секіргіш» сілтемелер балшықтың таңғажайып қасиеттеріне ықпал етеді.

адасқан доп

Күріш. 4. Пластилинді жайып, стрессті жеңілдететін сынауға арналған жиынтық:

а) бастапқы жағдай, ә) соңғы жағдай; 1 - болат шар,

2 - мөлдір ыдыс, 3 - пластилин, 4 - негіз

Енді сиқырлы пластилинді кішкене мөлдір ыдысқа сығып, жоғарғы жағын ашыңыз, онда ауа көпіршіктері жоқ екеніне көз жеткізіңіз (4а-сурет). Ыдыстың биіктігі мен диаметрі бірнеше сантиметр болуы керек. Пластилиннің үстіңгі бетінің ортасына диаметрі шамамен 1,5 см болат шарды салыңыз.Біз ыдысты шармен жалғыз қалдырамыз. Бірнеше сағат сайын біз доптың орнын бақылап отырамыз. Назар аударыңыз, ол пластилинге тереңірек және тереңірек түседі, ол өз кезегінде доптың бетінен жоғары кеңістікке енеді.

Доптың салмағына, қолданылатын пластилин түріне, шар мен табаның өлшеміне, қоршаған орта температурасына байланысты жеткілікті ұзақ уақыт өткеннен кейін, біз доптың табаның түбіне жеткенін байқаймыз. Шардың үстіндегі кеңістік толығымен пластилинмен толтырылады (4б-сурет). Бұл тәжірибе материалдың ағып жатқанын көрсетеді және стрессті жеңілдету.

Пластилиннен секіру

Сиқырлы қамырдан шар жасап, оны еден немесе қабырға сияқты қатты бетке тез лақтырыңыз. Пластилиннің бұл беттерден серпілген резеңке доп сияқты секіретінін таң қалдырамыз. Сиқырлы саз - бұл пластикалық және серпімді қасиеттерді көрсете алатын дене. Бұл жүктің оған қаншалықты тез әсер ететініне байланысты.

Кернеулерді баяу қолданғанда, илеудегі сияқты, ол пластикалық қасиеттерді көрсетеді. Екінші жағынан, еденге немесе қабырғаға соқтығысқан кезде пайда болатын күш тез әсер еткенде, пластилин серпімді қасиеттерді көрсетеді. Сиқырлы сазды қысқаша пластикалық серпімді дене деп атауға болады.

Созылатын пластилин

Фото 2. Сиқырлы саздың баяу созылу әсері (созылған талшықтың ұзындығы шамамен 60 см)

Бұл жолы диаметрі шамамен 1 см және ұзындығы бірнеше сантиметр болатын сиқырлы пластилин цилиндрін жасаңыз. Оң және сол қолдарыңыздың саусақтарымен екі ұшын алып, роликті көлденең орнатыңыз. Содан кейін біз қолдарымызды бір түзу сызықпен екі жаққа жайлап таратамыз, осылайша цилиндрдің осьтік бағытта созылуына әкелеміз. Біз пластилиннің дерлік қарсылық көрсетпейтінін сеземіз және оның ортасында тарылатындығын байқаймыз.

Пластилин цилиндрінің ұзындығын оның орталық бөлігінде уақыт өте келе үзілетін жұқа жіп пайда болғанша бірнеше ондаған сантиметрге дейін арттыруға болады (фото 2). Бұл тәжірибе пластик-серпімді денеге кернеуді баяу қолдану арқылы оны бұзбай өте үлкен деформация тудыруы мүмкін екенін көрсетеді.

қатты пластилин

Біз сиқырлы пластилин цилиндрін алдыңғы тәжірибедегідей дайындап, саусақтарымызды оның ұшына дәл осылай орап аламыз. Назарымызды шоғырландыра отырып, цилиндрді күрт созғымыз келіп, қолдарымызды мүмкіндігінше тезірек екі жаққа жайдық. Анықталғандай, бұл жағдайда біз пластилиннің өте жоғары қарсылығын сезінеміз, ал цилиндр, таң қаларлықтай, мүлде ұзармайды, бірақ пышақпен кесілгендей, ұзындығының жартысына үзіледі (фото 3). Бұл тәжірибе де пластикалық-серпімді дененің деформациясының табиғаты кернеуді қолдану жылдамдығына байланысты екенін көрсетеді.

Пластилин шыны сияқты нәзік

Фото 3. Сиқырлы пластилиннің жылдам созылуының нәтижесі - сіз бірнеше есе аз ұзаруды және нәзік материалдағы жарықшаққа ұқсайтын өткір жиекті көре аласыз.

Бұл тәжірибе кернеу жылдамдығының пластикалық-серпімді дененің қасиеттеріне қалай әсер ететінін одан да анық көрсетеді. Сиқырлы саздан диаметрі шамамен 1,5 см болатын допты жасаңыз және оны ауыр болат пластина, анвил немесе бетон еден сияқты қатты, массивтік негізге қойыңыз. Массасы 0,5 кг-нан кем емес балғамен допты ақырын соғыңыз (5а-сурет). Бұл жағдайда доп пластикалық дене сияқты әрекет етеді және балға түскеннен кейін тегістеледі (5б-сурет).

Тегістелген пластилинді қайтадан шарға айналдырып, бұрынғыдай пластинаға салыңыз. Біз қайтадан допты балғамен ұрдық, бірақ бұл жолы мүмкіндігінше тезірек орындауға тырысамыз (5в-сурет). Пластилин шары бұл жағдайда шыны немесе фарфор сияқты нәзік материалдан жасалғандай әрекет етеді және соқтығысқан кезде ол барлық бағытта кесектерге бөлінеді (5d-сурет).

Фармацевтикалық резеңке таспалардағы термиялық машина

Реологиялық материалдардағы кернеуді олардың температурасын көтеру арқылы азайтуға болады. Бұл әсерді біз таңқаларлық жұмыс принципі бар жылу қозғалтқышында қолданамыз. Оны жинау үшін сізге қажет: қаңылтыр құмыраның бұрандалы қақпағы, ондаған немесе одан да көп қысқа резеңке таспалар, үлкен ине, жұқа қаңылтырдың төртбұрышты бөлігі және өте ыстық шамы бар шам. Қозғалтқыштың конструкциясы 6-суретте көрсетілген. Оны құрастыру үшін сақина алынатындай қақпақтың ортаңғы бөлігін кесіңіз.

Күріш. 5. Пластилинді және пластилиннің сынғыш қасиеттерін көрсету әдісі

а) допты баяу соғу ә) баяу соғу

в) допқа жылдам соққы, г) жылдам соққының әсері;

1 - пластилин шары, 2 - қатты және массивті табақ, 3 - балға,

v - балға жылдамдығы

Бұл сақинаның ортасына ось болып табылатын инені салып, оның ұзындығының ортасында олар сақинаға тіреліп, қатты созылатын етіп серпімді жолақтарды саламыз. Серпімді жолақтар сақинаға симметриялы түрде орналастырылуы керек, осылайша серпімді жолақтардан жасалған спицы бар дөңгелек алынады. Металл қаңылтыр бөлігін қолды созып, крампон пішініне бүгіңіз, бұл олардың арасына бұрын жасалған шеңберді қоюға және оның бетінің жартысын жабуға мүмкіндік береді. Консольдің бір жағында, оның екі тік шетінде біз дөңгелек осін оған орналастыруға мүмкіндік беретін кесінді жасаймыз.

Доңғалақ осін тірек ойығына қойыңыз. Біз дөңгелекті саусақтармен айналдырып, оның теңгерімділігін тексереміз, яғни. ол кез келген позицияда тоқтайды. Егер олай болмаса, резеңке таспалар сақинамен түйіскен жерді сәл жылжыту арқылы дөңгелекті теңестіріңіз. Кронштейнді үстелге қойып, шеңбердің доғаларынан шығып тұрған бөлігін өте ыстық шаммен жарықтандырыңыз. Біраз уақыттан кейін дөңгелек айнала бастайды екен.

Бұл қозғалыстың себебі - реологтар деп аталатын әсердің нәтижесінде дөңгелектің массалар центрінің күйінің тұрақты өзгеруі. термиялық стрессті релаксациялау.

Бұл релаксация жоғары кернеулі серпімді материалдың қыздырылған кезде жиырылуына негізделген. Біздің қозғалтқышта бұл материал кронштейн кронштейнінен шығып тұрған және электр шамымен қыздырылған дөңгелек жағындағы резеңке жолақтар болып табылады. Нәтижесінде доңғалақ массасының центрі тірек қолдарымен жабылған жағына ауысады. Дөңгелектің айналуы нәтижесінде қыздырылған резеңке жолақтар тірек иықтарының арасына түсіп, суытады, өйткені олар шамдан жасырылады. Салқындатылған өшіргіштер қайтадан ұзарады. Сипатталған процестердің дәйектілігі дөңгелектің үздіксіз айналуын қамтамасыз етеді.

Керемет эксперименттер ғана емес

Күріш. 6. Фармацевтикалық резеңке таспалардан жасалған жылу қозғалтқышының конструкциясы

а) бүйірлік көрініс

б) осьтік жазықтықпен қима; 1 - сақина, 2 - ине, 3 - фармацевтикалық өшіргіш,

4 - кронштейн, 5 - кронштейндегі кесу, 6 - шам

Қазір реология физиктерді де, техникалық ғылымдар саласындағы мамандарды да қызықтыратын қарқынды дамып келе жатқан сала. Кейбір жағдайларда реологиялық құбылыстар олар орын алатын ортаға кері әсер етуі мүмкін және оларды, мысалы, уақыт өте келе деформацияланатын үлкен болат конструкцияларды жобалау кезінде ескеру қажет. Олар әрекет ететін жүктемелер мен өз салмағының әсерінен материалдың таралуынан туындайды.

Тарихи шіркеулердегі тік төбелер мен витраждарды жабатын мыс қаңылтырлардың қалыңдығын дәл өлшеу бұл элементтердің үстіңгі жағына қарағанда төменгі жағында қалыңырақ екенін көрсетті. Бұл нәтиже ағымдағымыс да, шыны да бірнеше жүз жыл бойы өз салмағымен. Реологиялық құбылыстар көптеген заманауи және үнемді өндіріс технологияларында да қолданылады. Мысалы, пластикті қайта өңдеу. Осы материалдардан жасалған бұйымдардың көпшілігі қазіргі уақытта экструзия, сызу және үрлеу арқылы дайындалады. Бұл материалды қыздырғаннан кейін және оған сәйкес таңдалған жылдамдықпен қысым жасағаннан кейін жасалады. Осылайша, басқа заттармен қатар, фольгалар, шыбықтар, құбырлар, талшықтар, сондай-ақ күрделі пішіндегі ойыншықтар мен машина бөліктері. Бұл әдістердің өте маңызды артықшылығы төмен құны және қалдықсыздығы болып табылады.