وقتی قانون هوک دیگر کافی نیست...

طبق قانون هوک، که از کتاب های درسی مدارس شناخته شده است، کشیدگی بدن باید مستقیماً با تنش اعمال شده متناسب باشد. با این حال، بسیاری از موادی که در فناوری مدرن و زندگی روزمره اهمیت زیادی دارند، فقط به طور تقریبی این قانون را رعایت می کنند یا کاملاً متفاوت رفتار می کنند. فیزیکدانان و مهندسان می گویند که چنین موادی دارای خواص رئولوژیکی هستند. مطالعه این ویژگی ها موضوع آزمایش های جالبی خواهد بود.

رئولوژی مطالعه خواص موادی است که رفتار آنها فراتر از نظریه الاستیسیته بر اساس قانون هوک فوق الذکر است. این رفتار با بسیاری از پدیده های جالب همراه است. اینها به ویژه عبارتند از: تاخیر در بازگشت مواد به حالت اولیه پس از کاهش تنش، یعنی هیسترزیس الاستیک. افزایش ازدیاد طول بدن تحت استرس ثابت، که در غیر این صورت جریان نامیده می شود. یا افزایش چند برابری مقاومت در برابر تغییر شکل و سختی یک بدنه پلاستیکی اولیه، تا ظهور خواص مشخصه مواد شکننده.

حاکم تنبل

یک انتهای یک خط کش پلاستیکی به طول 30 سانتی متر یا بیشتر در فک های قاب ثابت می شود به طوری که خط کش به صورت عمودی قرار می گیرد (شکل 1). انتهای بالایی خط کش را فقط چند میلی متر از حالت عمودی منحرف می کنیم و آن را رها می کنیم. توجه داشته باشید که قسمت آزاد خط کش چندین بار در اطراف موقعیت تعادل عمودی نوسان می کند و به حالت اولیه خود باز می گردد (شکل 1a). نوسانات مشاهده شده هارمونیک هستند، زیرا در انحرافات کوچک، بزرگی نیروی کشسانی که به عنوان نیروی هدایت کننده عمل می کند، با انحراف انتهای خط کش نسبت مستقیم دارد. این رفتار خط کش با تئوری کشش توصیف می شود. 

برنج. 1. مطالعه هیسترزیس الاستیک با استفاده از خط کش

1- آمبولانس

2 – فک های ناقص الف – انحراف انتهای خط کش از عمود

در قسمت دوم آزمایش، انتهای بالایی خط کش را چند سانتی متر منحرف می کنیم، آن را رها می کنیم و رفتار آن را مشاهده می کنیم (شکل 1b). اکنون این پایان به آرامی به موقعیت تعادل خود باز می گردد. این به دلیل تجاوز از حد الاستیک مواد خط کش است. اثر ذکر شده نامیده می شود هیسترزیس الاستیک. این شامل بازگشت آهسته یک جسم تغییر شکل یافته به حالت اولیه است. اگر این آزمایش آخر را تکرار کنیم، انتهای بالایی خط کش را بیشتر کج کنیم، متوجه خواهیم شد که بازگشت آن نیز کندتر خواهد بود و ممکن است تا چند دقیقه طول بکشد. علاوه بر این، خط کش دقیقاً به حالت عمودی خود باز نمی گردد و برای همیشه خمیده می ماند. اثراتی که در قسمت دوم آزمایش توضیح داده شد تنها یکی از آنهاست موضوعات تحقیق رئولوژی.

پرنده یا عنکبوت در حال بازگشت

برای آزمایش بعدی از اسباب‌بازی‌ای استفاده می‌کنیم که خرید آن ارزان و آسان است (حتی گاهی اوقات در کیوسک‌ها نیز موجود است). این مجسمه از یک مجسمه تخت به شکل پرنده یا حیوان دیگری مانند عنکبوت تشکیل شده است که توسط یک بند بلند به یک دسته حلقه ای وصل شده است (شکل 2a). کل اسباب بازی از یک ماده لاستیک مانند الاستیک و کمی چسبنده ساخته شده است. نوار را می توان به راحتی کشید و طول آن را چندین بار افزایش داد بدون اینکه پاره شود. ما آزمایشی را در نزدیکی یک سطح صاف، مانند شیشه آینه یا دیوار مبلمان انجام می دهیم. دسته را با انگشتان یک دست می گیریم و تاب می زنیم و بدین وسیله اسباب بازی را روی یک سطح صاف می اندازیم. متوجه خواهید شد که شکل به سطح می چسبد و نوار چسب باقی می ماند. دستگیره را برای چند ده ثانیه یا بیشتر با انگشتان خود نگه می داریم.

برنج. 2. نمونه بارز هیسترزیس الاستیک که با استفاده از یک ضربدر برگشتی نشان داده شده است

1 - مجسمه عنکبوت، 2 - نوار الاستیک،

3 – دسته، 4 – کف دست، 5 – سطح صاف

بعد از مدتی متوجه می‌شویم که شکل ناگهانی از سطح جدا می‌شود و با چسباندن چسب به داخل به سرعت به دست ما باز می‌گردد. در این مورد، مانند آزمایش قبلی، کاهش آهسته ولتاژ نیز رخ می دهد، یعنی هیسترزیس الاستیک. نیروهای الاستیک نوار کشش بر نیروهای چسبندگی الگو به سطح غلبه می کنند که با گذشت زمان ضعیف می شوند. در نتیجه قطعه به دست باز می گردد. ماده اسباب بازی مورد استفاده در این آزمایش توسط رئولوژیست ها نامیده می شود ویسکوالاستیک. این نام با این واقعیت توجیه می شود که هم خاصیت چسبندگی دارد - زمانی که به سطح صاف می چسبد و هم خاصیت ارتجاعی - به همین دلیل از این سطح جدا می شود و به حالت اولیه خود باز می گردد.

مرد نزولی

عکس 1. مجسمه ای که از دیوار عمودی پایین می آید نیز نمونه ای عالی از هیسترزیس الاستیک است.

این آزمایش همچنین از یک اسباب بازی با مواد ویسکوالاستیک در دسترس استفاده خواهد کرد (عکس 1). این به شکل مجسمه یک مرد یا یک عنکبوت ساخته شده است. ما این اسباب بازی را با اندام های کشیده و سر به سمت بالا روی یک سطح صاف عمودی، ترجیحاً روی شیشه، آینه یا دیوار مبلمان پرتاب می کنیم. یک جسم پرتاب شده به این سطح می چسبد. پس از مدتی که مدت آن از جمله به زبری سطح و سرعت پرتاب بستگی دارد، قسمت بالای اسباب بازی جدا می شود. این در نتیجه آنچه قبلاً مورد بحث قرار گرفت رخ می دهد. هیسترزیس الاستیک و عمل وزن شکل، که جایگزین نیروی کشسانی کمربند موجود در آزمایش قبلی می شود.

تحت تأثیر وزن، قسمت جدا شده از اسباب بازی به سمت پایین خم می شود و بیشتر از آن جدا می شود تا زمانی که قسمت دوباره به سطح عمودی برخورد کند. بعد از این لمس، چسباندن بعدی فیگور به سطح شروع می شود. در نتیجه، شکل دوباره به هم چسبانده می شود، اما در حالت سر به پایین. فرآیندهای شرح داده شده در زیر تکرار می شوند، با شکل ها به طور متناوب پاها و سپس سر را پاره می کنند. اثر این است که شکل در امتداد یک سطح عمودی پایین می آید و تلنگرهای دیدنی انجام می دهد.

پلاستیک قابل روان

برنج. 3. تست سیالیت پلاستیسین

الف) وضعیت اولیه، ب) وضعیت نهایی.

1 – نخل، 2 – قسمت بالایی پلاستیکین،

3 - نشانگر، 4 - انقباض، 5 - قطعه پلاستیکی پاره شده

در این آزمایش و چندین آزمایش بعدی ما از خاک رس موجود در فروشگاه های اسباب بازی استفاده خواهیم کرد که به عنوان "خشت جادویی" یا "تریکولین" شناخته می شود. یک تکه پلاستیک به شکلی شبیه دمبل به طول حدود 4 سانتی متر و قطر قسمت های ضخیم تر آن 1-2 سانتی متر و قطر باریک حدود 5 میلی متر ورز می دهیم (شکل 3a). قالب را با انگشتان خود از انتهای بالایی قسمت ضخیم تر گرفته و بدون حرکت نگه می داریم یا به صورت عمودی در کنار نشانگر نصب شده که محل انتهای پایین قسمت ضخیم تر را نشان می دهد آویزان می کنیم.

با مشاهده موقعیت انتهای پایینی پلاستیکین، متوجه می شویم که به آرامی به سمت پایین حرکت می کند. در این حالت، قسمت میانی پلاستیک فشرده می شود. این فرآیند جریان یا خزش یک ماده نامیده می شود و شامل افزایش طول آن تحت تأثیر تنش ثابت است. در مورد ما، این کشش ناشی از وزن قسمت پایینی دمبل پلاستیکی است (شکل 3b). از دیدگاه میکروسکوپی جریان این نتیجه تغییر در ساختار ماده ای است که برای مدت طولانی تحت فشار قرار گرفته است. در یک نقطه، استحکام قسمت باریک آنقدر کم است که به تنهایی زیر وزن قسمت پایینی پلاستیک شکسته می شود. سرعت جریان به عوامل زیادی از جمله نوع ماده و مقدار و روش اعمال تنش به آن بستگی دارد.

پلاستیکی که ما استفاده می کنیم بسیار حساس به جریان است و ما می توانیم آن را با چشم غیرمسلح بعد از تنها چند ده ثانیه ببینیم. شایان ذکر است که خاک رس جادویی به طور تصادفی در ایالات متحده آمریکا در طول جنگ جهانی دوم اختراع شد، زمانی که تلاش برای تولید ماده مصنوعی مناسب برای تولید لاستیک برای تجهیزات نظامی انجام شد. در نتیجه پلیمریزاسیون ناقص، ماده ای به دست آمد که تعداد معینی از مولکول ها در آن ناپیوسته بودند و پیوندهای بین مولکول های دیگر به راحتی تحت تأثیر عوامل خارجی موقعیت خود را تغییر می دادند. این پیوندهای "جهنده" به خواص جهشی شگفت انگیز خاک رس کمک می کنند.

توپ ولگرد

برنج. 4. مجموعه ای برای آزمایش پلاستین برای پخش و آرامش استرس:

الف) وضعیت اولیه، ب) وضعیت نهایی. 1 - توپ فولادی

2 – ظرف شفاف، 3 – پلاستیکین، 4 – پایه

حالا پلاستیلین جادویی را در ظرف شفاف کوچکی که در بالا باز است فشار دهید و مطمئن شوید که هیچ حباب هوا در آن وجود ندارد (شکل 4a). ارتفاع و قطر ظرف باید چند سانتی متر باشد. یک توپ فولادی به قطر تقریبی 1,5 سانتی متر در مرکز سطح بالایی پلاستیکین قرار دهید و ظرف را با توپ به حال خود رها کنید. هر چند ساعت یکبار موقعیت توپ را مشاهده می کنیم. توجه داشته باشید که عمیق‌تر و عمیق‌تر به داخل پلاستیکین می‌رود، که به نوبه خود به فضای بالای سطح توپ می‌رود.

پس از مدت زمان کافی که بستگی به وزن توپ، نوع پلاستیک استفاده شده، اندازه توپ و تابه، دمای محیط دارد، متوجه می شویم که توپ به ته ظرف می رسد. فضای بالای توپ کاملاً با پلاستیک پر می شود (شکل 4b). این آزمایش نشان می دهد که مواد جریان می یابد و تسکین استرس.

پلاستیکین پرش

یک توپ از خاک رس جادویی تشکیل دهید و به سرعت آن را روی یک سطح سخت مانند زمین یا دیوار بیندازید. با تعجب متوجه می شویم که پلاستیکین مانند یک توپ لاستیکی الاستیک از روی این سطوح می پرد. پلاستیکین جادویی بدنه ای است که می تواند هم خاصیت پلاستیکی و هم خاصیت ارتجاعی از خود نشان دهد. بستگی به این دارد که بار با چه سرعتی روی آن اعمال شود.

هنگامی که تنش به آرامی اعمال می شود، مانند حالت ورز دادن، خواص پلاستیکی از خود نشان می دهد. از سوی دیگر، با اعمال سریع نیرو، که هنگام برخورد با کف یا دیوار اتفاق می‌افتد، پلاستیکین خاصیت ارتجاعی از خود نشان می‌دهد. پلاستیکین جادویی را می توان به اختصار بدنه پلاستیکی الاستیک نامید.

پلاستیکین کششی

عکس 2. اثر کشش آهسته پلاستیکین جادویی (طول الیاف کشیده تقریباً 60 سانتی متر است)

این بار یک استوانه پلاستیکی جادویی به قطر حدود 1 سانتی متر و طول چند سانتی متر تشکیل دهید. هر دو انتهای آن را با انگشتان راست و چپ بگیرید و غلتک را به صورت افقی قرار دهید. سپس به آرامی بازوهای خود را در یک خط مستقیم به طرفین باز می کنیم و در نتیجه باعث می شویم که استوانه در جهت محوری کشیده شود. ما احساس می کنیم که خاک رس تقریباً هیچ مقاومتی ندارد و متوجه می شویم که در وسط مخروطی می شود.

طول استوانه پلاستیلین را می توان به چند ده سانتی متر افزایش داد تا زمانی که یک نخ نازک در قسمت مرکزی آن تشکیل شود که به مرور زمان می شکند (عکس 2). این آزمایش نشان می دهد که با اعمال تنش آهسته به یک جسم پلاستیکی-الاستیک، می توان بدون تخریب آن، تغییر شکل بسیار بزرگی ایجاد کرد.

پلاستیک سخت

استوانه پلاستیکی جادویی را مانند آزمایش قبلی آماده می کنیم و به همین ترتیب انگشتان خود را دور انتهای آن می بندیم. پس از تمرکز حواس، بازوهای خود را در اسرع وقت به طرفین باز می کنیم و می خواهیم استوانه را به شدت بکشیم. معلوم می شود که در این حالت ما مقاومت بسیار بالایی از پلاستیک را احساس می کنیم و استوانه ، به طور شگفت انگیزی ، به هیچ وجه طولانی نمی شود ، اما به نصف طول خود می شکند ، گویی با چاقو بریده می شود (عکس 3). این آزمایش همچنین نشان می دهد که ماهیت تغییر شکل یک جسم پلاستیکی-الاستیک به میزان اعمال تنش بستگی دارد.

پلاستیک به اندازه شیشه شکننده است

عکس 3. نتیجه کشش سریع پلاستیکین جادویی - می توانید چندین برابر کشیدگی کمتر و لبه تیز را ببینید که یادآور شکاف در یک ماده شکننده است.

این آزمایش با وضوح بیشتری نشان می‌دهد که نرخ تنش چگونه بر خواص یک جسم پلاستیکی-الاستیک تأثیر می‌گذارد. خاک رس جادویی را به شکل توپی به قطر حدود 1,5 سانتی متر در آورید و آن را روی یک پایه جامد جامد مانند یک صفحه فولادی سنگین، سندان یا کف بتنی قرار دهید. به آرامی با چکشی به وزن حداقل 0,5 کیلوگرم به توپ ضربه بزنید (شکل 5a). معلوم می شود که در این وضعیت توپ مانند یک بدنه پلاستیکی رفتار می کند و پس از افتادن چکش روی آن صاف می شود (شکل 5b).

پلاستیک صاف شده را دوباره به شکل توپ در آورید و مانند قبل روی بشقاب قرار دهید. دوباره با چکش به توپ ضربه می زنیم، اما این بار سعی می کنیم این کار را در سریع ترین زمان ممکن انجام دهیم (شکل 5 ج). به نظر می رسد که توپ پلاستیکین در این مورد به گونه ای رفتار می کند که گویی از مواد شکننده ای مانند شیشه یا چینی ساخته شده است و در اثر ضربه در همه جهات به قطعات پراکنده می شود (شکل 5d).

دستگاه حرارتی روی نوارهای الاستیک دارویی

تنش در مواد رئولوژیکی را می توان با افزایش دمای آنها کاهش داد. ما از این اثر در یک موتور حرارتی با اصل عملکرد شگفت انگیز استفاده خواهیم کرد. برای مونتاژ آن شما نیاز دارید: یک کلاه پیچ قلع از یک شیشه، یک دوجین باند لاستیکی کوتاه، یک سوزن بزرگ، یک تکه مستطیل شکل از ورق فلزی نازک و یک لامپ با یک لامپ بسیار داغ. طراحی موتور در شکل 6 نشان داده شده است. برای مونتاژ آن قسمت وسط روکش را ببرید تا حلقه ای به دست آید.

برنج. 5. روشی برای نشان دادن پلاستیلین و خواص شکننده پلاستیکین

الف) ضربه های آهسته به توپ، ب) ضربه های آهسته،

ج) ضربه سریع به توپ، د) اثر ضربه سریع.

1 - توپ پلاستیکی، 2 - صفحه سخت و حجیم، 3 - چکش،

v – سرعت چکش

در مرکز این حلقه یک سوزن که محور است قرار می دهیم و روی آن نوارهای کش می گذاریم تا در وسط طول آنها به حلقه تکیه داده و محکم کشیده شوند. نوارهای لاستیکی باید به طور متقارن روی حلقه قرار گیرند، بنابراین چرخی با پره هایی ایجاد می شود که از نوارهای لاستیکی تشکیل شده است. یک تکه ورق فلز را با بازوهای کشیده به شکل براکت خم کنید، به شما این امکان را می‌دهد که دایره‌ای که قبلاً ساخته‌اید را بین آنها قرار دهید و نیمی از سطح آن را بپوشانید. در یک طرف کنسول، در هر دو لبه عمودی آن، برشی ایجاد می کنیم که به ما اجازه می دهد محور چرخ را در آن قرار دهیم.

محور چرخ را در برش تکیه گاه قرار دهید. ما چرخ را با انگشتان خود می چرخانیم و بررسی می کنیم که آیا متعادل است یا خیر. آیا در هر موقعیتی متوقف می شود؟ اگر اینطور نیست، چرخ را با حرکت کمی در جایی که نوارهای لاستیکی به حلقه برخورد می کنند، متعادل کنید. براکت را روی میز قرار دهید و قسمتی از دایره که از بازوهای آن بیرون زده است را با یک لامپ گرمایش قوی روشن کنید. معلوم می شود که پس از مدتی چرخ شروع به چرخش می کند.

دلیل این حرکت تغییر مداوم موقعیت مرکز جرم چرخ در نتیجه اثری به نام رئولوژی است. آرامش استرس حرارتی.

این آرامش بر این واقعیت استوار است که یک ماده الاستیک بسیار تحت فشار هنگام گرم شدن منقبض می شود. در موتور ما، این ماده نوارهای لاستیکی در سمت چرخ است که از براکت براکت بیرون زده و توسط یک لامپ گرم می شود. در نتیجه مرکز جرم چرخ به سمتی که توسط بازوهای نگهدارنده پوشانده شده است تغییر می کند. در نتیجه چرخش چرخ، نوارهای لاستیکی گرم شده بین بازوهای تکیه گاه قرار می گیرند و خنک می شوند، زیرا در آنجا از لامپ پنهان می شوند. پاک کن های خنک شده دوباره طولانی می شوند. توالی فرآیندهای توصیف شده چرخش مداوم چرخ را تضمین می کند.

نه تنها آزمایش های دیدنی

برنج. 6. طراحی یک موتور حرارتی ساخته شده از نوارهای لاستیکی دارویی

الف) نمای جانبی

ب) برش با صفحه محوری. 1 – حلقه، 2 – سوزن، 3 – پاک کن دارویی،

4 - براکت، 5 - برش در براکت، 6 - لامپ

اکنون رئولوژی زمینه ای است که به سرعت در حال توسعه مورد علاقه فیزیکدانان و دانشمندان مهندسی است. پدیده‌های رئولوژیکی در برخی شرایط می‌توانند اثرات نامطلوبی بر محیطی که در آن رخ می‌دهند داشته باشند و باید مورد توجه قرار گیرند، برای مثال در طراحی سازه‌های فولادی بزرگ که در طول زمان تغییر شکل می‌دهند. آنها در نتیجه پخش شدن مواد تحت تأثیر بارهای موجود و وزن خود به وجود می آیند.

اندازه‌گیری‌های دقیق ضخامت ورق‌های مسی پوشش‌دهنده سقف‌های شیب‌دار و شیشه‌های رنگی در کلیساهای تاریخی نشان داده است که این عناصر در پایین ضخیم‌تر از بالا هستند. این نتیجه است جریانهم مس و هم شیشه زیر وزن خود برای چند صد سال. پدیده های رئولوژیکی نیز در بسیاری از فناوری های تولید مدرن و اقتصادی استفاده می شود. یک مثال بازیافت پلاستیک است. اکثر محصولات ساخته شده از این مواد در حال حاضر به روش اکستروژن، کشش و قالب گیری بادی تولید می شوند. این کار پس از گرم کردن مواد و اعمال فشار به آن با نرخ مناسب انجام می شود. بنابراین، در میان چیزهای دیگر، فویل ها، میله ها، لوله ها، الیاف، و همچنین اسباب بازی ها و قطعات ماشین با اشکال پیچیده است. از مزایای بسیار مهم این روش ها می توان به هزینه کم و بدون ضایعات اشاره کرد.