Pan nad yw Cyfraith Hooke yn ddigon bellach...

Yn ôl cyfraith Hooke sy'n hysbys o werslyfrau ysgol, dylai elongation corff fod yn uniongyrchol gymesur â'r straen cymhwysol. Fodd bynnag, mae llawer o ddeunyddiau sydd o bwysigrwydd mawr mewn technoleg fodern a bywyd bob dydd dim ond tua cydymffurfio â'r gyfraith hon neu ymddwyn yn hollol wahanol. Mae ffisegwyr a pheirianwyr yn dweud bod gan ddeunyddiau o'r fath briodweddau rheolegol. Bydd yr astudiaeth o'r priodweddau hyn yn destun rhai arbrofion diddorol.

Rheoleg yw'r astudiaeth o briodweddau defnyddiau y mae eu hymddygiad yn mynd y tu hwnt i ddamcaniaeth elastigedd yn seiliedig ar gyfraith Hooke a grybwyllwyd uchod. Mae'r ymddygiad hwn yn gysylltiedig â llawer o ffenomenau diddorol. Mae'r rhain yn cynnwys, yn benodol: yr oedi cyn dychwelyd y deunydd i'w gyflwr gwreiddiol ar ôl gostyngiad mewn foltedd, h.y. hysteresis elastig; cynnydd yn elongation y corff ar straen cyson, a elwir fel arall llif; neu gynnydd lluosog yn y gwrthwynebiad i anffurfiad a chaledwch corff plastig i ddechrau, hyd at ymddangosiad priodweddau sy'n nodweddiadol o ddeunyddiau brau.

pren mesur diog

Mae un pen pren mesur plastig 30 cm neu fwy o hyd wedi'i osod yn yr enau vise fel bod y pren mesur yn fertigol (Ffig. 1). Rydyn ni'n gwrthod pen uchaf y pren mesur o'r fertigol o ychydig filimetrau yn unig ac yn ei ryddhau. Sylwch fod rhan rydd y pren mesur yn pendilio sawl gwaith o amgylch y safle ecwilibriwm fertigol ac yn dychwelyd i'w gyflwr gwreiddiol (Ffig. 1a). Mae'r osgiliadau a welir yn harmonig, oherwydd mewn gwyriadau bach mae maint y grym elastig sy'n gweithredu fel grym arweiniol mewn cyfrannedd union â gwyriad diwedd y pren mesur. Disgrifir ymddygiad hwn y pren mesur gan y ddamcaniaeth elastigedd. 

Reis. 1. Astudiaeth o hysteresis elastig gan ddefnyddio pren mesur

1 - ambiwlans,

2 - genau vise, A - gwyriad diwedd y pren mesur o'r fertigol

Yn ail ran yr arbrawf, rydyn ni'n gwyro pen uchaf y pren mesur ychydig gentimetrau, yn ei ryddhau, ac yn arsylwi ei ymddygiad (Ffig. 1b). Nawr mae'r pen hwn yn dychwelyd yn araf i'r sefyllfa ecwilibriwm. Mae hyn oherwydd y gormodedd o derfyn elastig y deunydd pren mesur. Gelwir yr effaith hon hysteresis elastig. Mae'n cynnwys dychweliad araf y corff anffurf i'w gyflwr gwreiddiol. Os byddwn yn ailadrodd yr arbrawf olaf hwn, gan ogwyddo pen uchaf y pren mesur hyd yn oed yn fwy, byddwn yn gweld y bydd ei ddychwelyd hefyd yn arafach a gall gymryd hyd at sawl munud. Yn ogystal, ni fydd y pren mesur yn dychwelyd yn union i'r safle fertigol a bydd yn parhau i fod yn plygu'n barhaol. Dim ond un o'r effeithiau a ddisgrifir yn ail ran yr arbrawf pynciau ymchwil rheoleg.

Aderyn neu corryn sy'n dychwelyd

Ar gyfer y profiad nesaf, byddwn yn defnyddio tegan rhad a hawdd ei brynu (weithiau hyd yn oed ar gael mewn ciosgau). Mae'n cynnwys ffiguryn gwastad ar ffurf aderyn neu anifail arall, fel pry cop, wedi'i gysylltu gan strap hir gyda handlen siâp cylch (Ffig. 2a). Mae'r tegan cyfan wedi'i wneud o ddeunydd gwydn, tebyg i rwber sydd ychydig yn gludiog i'w gyffwrdd. Gellir ymestyn y tâp yn hawdd iawn, gan gynyddu ei hyd sawl gwaith heb ei rwygo. Rydyn ni'n cynnal arbrawf ger arwyneb llyfn, fel gwydr drych neu wal ddodrefn. Gyda bysedd un llaw, daliwch yr handlen a gwnewch don, gan daflu'r tegan i arwyneb llyfn. Fe sylwch fod y ffiguryn yn glynu wrth yr wyneb a bod y tâp yn aros yn dynn. Rydym yn parhau i ddal yr handlen gyda'n bysedd am sawl degau o eiliadau neu fwy.

Reis. 2. Enghraifft fyw o hysteresis elastig, wedi'i dangos gan ddefnyddio croes dychwelyd

1 - ffiguryn pry cop, 2 - band rwber,

3 - handlen, 4 - palmwydd, 5 - arwyneb

Ar ôl peth amser, rydym yn sylwi y bydd y ffiguryn yn dod oddi ar yr wyneb yn sydyn ac, wedi'i ddenu gan dâp crebachu gwres, yn dychwelyd yn gyflym i'n llaw. Yn yr achos hwn, fel yn yr arbrawf blaenorol, mae foltedd hefyd yn pydru'n araf, h.y. hysteresis elastig. Mae grymoedd elastig y tâp ymestyn yn goresgyn grymoedd adlyniad y patrwm i'r wyneb, sy'n gwanhau dros amser. O ganlyniad, mae'r ffigur yn dychwelyd i'r llaw. Mae defnydd y tegan a ddefnyddir yn yr arbrawf hwn yn cael ei alw gan reolegwyr viscoelastig. Mae'r enw hwn yn cael ei gyfiawnhau gan y ffaith ei fod yn arddangos priodweddau gludiog - pan fydd yn glynu at arwyneb llyfn, a phriodweddau elastig - oherwydd mae'n torri i ffwrdd o'r wyneb hwn ac yn dychwelyd i'w gyflwr gwreiddiol.

dyn disgynnol

Llun 1. Mae ffiguryn sy'n disgyn i wal fertigol hefyd yn enghraifft wych o hysteresis elastig.

Bydd yr arbrawf hwn hefyd yn defnyddio tegan sydd ar gael yn hawdd wedi'i wneud o ddeunydd viscoelastig (llun 1). Mae'n cael ei wneud ar ffurf ffigwr o ddyn neu pry cop. Rydyn ni'n taflu'r tegan hwn gydag aelodau wedi'u lleoli a'u troi wyneb i waered ar wyneb fertigol gwastad, yn ddelfrydol ar wal wydr, drych neu ddodrefn. Mae gwrthrych wedi'i daflu yn glynu wrth yr wyneb hwn. Ar ôl peth amser, y mae ei hyd yn dibynnu, ymhlith pethau eraill, ar garwedd yr wyneb a chyflymder taflu, mae top y tegan yn dod i ffwrdd. Mae hyn yn digwydd o ganlyniad i'r hyn a drafodwyd yn gynharach. hysteresis elastig a gweithred pwysau'r ffigwr, sy'n disodli grym elastig y gwregys, a oedd yn bresennol yn yr arbrawf blaenorol.

O dan ddylanwad pwysau, mae rhan ddatgysylltiedig y tegan yn plygu i lawr ac yn torri i ffwrdd ymhellach nes bod y rhan eto'n cyffwrdd â'r wyneb fertigol. Ar ôl y cyffyrddiad hwn, mae gludo'r ffigur nesaf i'r wyneb yn dechrau. O ganlyniad, bydd y ffigur yn cael ei gludo eto, ond mewn sefyllfa pen i lawr. Mae'r prosesau a ddisgrifir isod yn cael eu hailadrodd, gyda'r ffigurau bob yn ail yn rhwygo'r coesau i ffwrdd ac yna'r pen. Yr effaith yw bod y ffigwr yn disgyn ar hyd wyneb fertigol, gan wneud fflipiau ysblennydd.

Plastin hylif

Reis. 3. Prawf llif plastisin

a) sefyllfa gychwynnol, b) sefyllfa derfynol;

1 - palmwydd, 2 - rhan uchaf o blastisin,

3 - dangosydd, 4 - cyfyngiad, 5 - darn o blastisin wedi'i rwygo

Yn yr arbrawf hwn a sawl arbrawf dilynol, byddwn yn defnyddio'r plastisin sydd ar gael mewn siopau tegan, a elwir yn "glai hud" neu "tricolin". Rydym yn tylino darn o blastisin mewn siâp tebyg i dumbbell, tua 4 cm o hyd a gyda diamedr o rannau mwy trwchus o fewn 1-2 cm a diamedr culhau o tua 5 mm (Ffig. 3a). Rydyn ni'n cydio yn y mowldin gyda'n bysedd erbyn pen uchaf y rhan fwy trwchus a'i ddal yn llonydd neu ei hongian yn fertigol wrth ymyl y marciwr gosodedig gan nodi lleoliad pen isaf y rhan fwy trwchus.

Gan arsylwi lleoliad pen isaf y plastisin, nodwn ei fod yn symud i lawr yn araf. Yn yr achos hwn, mae rhan ganol y plastisin wedi'i gywasgu. Gelwir y broses hon yn llif neu ymgripiad y deunydd ac mae'n cynnwys cynyddu ei elongation o dan weithred straen cyson. Yn ein hachos ni, mae'r straen hwn yn cael ei achosi gan bwysau rhan isaf y dumbbell plastisin (Ffig. 3b). O safbwynt microsgopig cyfredol mae hyn yn ganlyniad i newid yn strwythur y deunydd sy'n destun llwythi am amser digon hir. Ar un adeg, mae cryfder y rhan sydd wedi'i gulhau mor fach fel ei fod yn torri o dan bwysau rhan isaf y plastisin yn unig. Mae'r gyfradd llif yn dibynnu ar lawer o ffactorau, gan gynnwys y math o ddeunydd, y swm a'r dull o roi straen arno.

Mae'r plastisin a ddefnyddiwn yn hynod sensitif i lif, a gallwn ei weld gyda'r llygad noeth mewn ychydig ddegau o eiliadau yn unig. Mae'n werth ychwanegu bod clai hud wedi'i ddyfeisio ar ddamwain yn yr Unol Daleithiau, yn ystod yr Ail Ryfel Byd, pan geisiwyd cynhyrchu deunydd synthetig sy'n addas ar gyfer cynhyrchu teiars ar gyfer cerbydau milwrol. O ganlyniad i bolymeriad anghyflawn, cafwyd deunydd lle'r oedd nifer benodol o foleciwlau heb eu rhwymo, a gallai bondiau rhwng moleciwlau eraill newid eu safle yn hawdd o dan ddylanwad ffactorau allanol. Mae'r cysylltiadau "bownsio" hyn yn cyfrannu at briodweddau anhygoel clai sboncio.

pêl strae

Reis. 4. Wedi'i osod ar gyfer profi plastisin ar gyfer ymledu ac ymlacio straen:

a) sefyllfa gychwynnol, b) sefyllfa derfynol; 1 - pêl ddur,

2 - llestr tryloyw, 3 - plastisin, 4 - gwaelod

Nawr gwasgwch y plastisin hud i mewn i lestr bach tryloyw, agorwch ar y brig, gan wneud yn siŵr nad oes unrhyw swigod aer ynddo (Ffig. 4a). Dylai uchder a diamedr y llong fod yn sawl centimetr. Gosodwch bêl ddur tua 1,5 cm mewn diamedr yng nghanol arwyneb uchaf y plastisin, gan adael y llestr gyda'r bêl yn unig. Bob ychydig oriau rydym yn arsylwi lleoliad y bêl. Sylwch ei fod yn mynd yn ddyfnach ac yn ddyfnach i'r plastisin, sydd, yn ei dro, yn mynd i'r gofod uwchben wyneb y bêl.

Ar ôl amser digon hir, sy'n dibynnu ar: pwysau'r bêl, y math o blastisin a ddefnyddir, maint y bêl a'r badell, y tymheredd amgylchynol, rydym yn sylwi bod y bêl yn cyrraedd gwaelod y sosban. Bydd y gofod uwchben y bêl yn cael ei lenwi'n llwyr â phlastisin (Ffig. 4b). Mae'r arbrawf hwn yn dangos bod y deunydd yn llifo a rhyddhad straen.

Plastin neidio

Ffurfiwch belen o does chwarae hud a'i thaflu'n gyflym ar arwyneb caled fel y llawr neu'r wal. Rydym yn sylwi gyda syndod bod y plastisin yn bownsio oddi ar yr arwynebau hyn fel pêl rwber sboncio. Corff a all arddangos priodweddau plastig ac elastig yw clai hud. Mae'n dibynnu ar ba mor gyflym y bydd y llwyth yn gweithredu arno.

Pan fydd straen yn cael ei gymhwyso'n araf, fel yn achos tylino, mae'n arddangos priodweddau plastig. Ar y llaw arall, gyda chymhwysiad cyflym o rym, sy'n digwydd wrth wrthdaro â llawr neu wal, mae plastisin yn arddangos eiddo elastig. Gellir galw clai hud yn fyr yn gorff plastig-elastig.

Plastin tynnol

Llun 2. Effaith ymestyn araf o glai hud (mae hyd y ffibr ymestyn tua 60 cm)

Y tro hwn, ffurfiwch silindr plastisin hud tua 1 cm mewn diamedr ac ychydig gentimetrau o hyd. Cymerwch y ddau ben gyda bysedd eich dwylo dde a chwith a gosodwch y rholer yn llorweddol. Yna rydym yn lledaenu ein breichiau yn araf i'r ochrau mewn un llinell syth, a thrwy hynny achosi i'r silindr ymestyn i'r cyfeiriad echelinol. Teimlwn nad yw'r plastisin yn cynnig unrhyw wrthwynebiad bron, a sylwn ei fod yn culhau yn y canol.

Gellir cynyddu hyd y silindr plastisin i sawl degau o gentimetrau, nes bod edau tenau yn cael ei ffurfio yn ei ran ganolog, a fydd yn torri dros amser (llun 2). Mae'r profiad hwn yn dangos, trwy gymhwyso straen yn araf i gorff plastig-elastig, y gall rhywun achosi anffurfiad mawr iawn heb ei ddinistrio.

plastisin caled

Rydyn ni'n paratoi'r silindr plastisin hud yn yr un ffordd ag yn yr arbrawf blaenorol ac yn lapio ein bysedd o amgylch ei ben yn yr un ffordd. Ar ôl canolbwyntio ein sylw, rydym yn lledaenu ein breichiau i'r ochrau cyn gynted â phosibl, gan ddymuno ymestyn y silindr yn sydyn. Mae'n ymddangos ein bod yn yr achos hwn yn teimlo ymwrthedd uchel iawn o blastisin, ac yn syndod, nid yw'r silindr yn ymestyn o gwbl, ond yn torri hanner ei hyd, fel pe bai wedi'i dorri â chyllell (llun 3). Mae'r arbrawf hwn hefyd yn dangos bod natur anffurfiad corff plastig-elastig yn dibynnu ar gyfradd y cais straen.

Mae plastisin yn fregus fel gwydr

Llun 3. Canlyniad ymestyniad cyflym plastisin hud - gallwch weld llawer gwaith yn llai o elongation ac ymyl miniog, yn debyg i grac mewn deunydd brau

Mae'r arbrawf hwn yn dangos yn gliriach fyth sut mae'r gyfradd straen yn effeithio ar briodweddau corff plastig-elastig. Ffurfiwch bêl gyda diamedr o tua 1,5 cm o glai hud a'i gosod ar sylfaen solet, enfawr, fel plât dur trwm, eingion, neu lawr concrit. Tarwch y bêl yn araf gyda morthwyl yn pwyso o leiaf 0,5 kg (Ffig. 5a). Mae'n ymddangos bod y bêl yn y sefyllfa hon yn ymddwyn fel corff plastig ac yn gwastatáu ar ôl i forthwyl ddisgyn arni (Ffig. 5b).

Ffurfiwch y plastisin gwastad yn bêl eto a'i roi ar y plât fel o'r blaen. Unwaith eto rydym yn taro'r bêl gyda morthwyl, ond y tro hwn rydym yn ceisio ei wneud mor gyflym â phosibl (Ffig. 5c). Mae'n ymddangos bod y bêl blastisin yn yr achos hwn yn ymddwyn fel pe bai wedi'i gwneud o ddeunydd bregus, fel gwydr neu borslen, ac ar ôl trawiad mae'n chwalu'n ddarnau i bob cyfeiriad (Ffig. 5d).

Peiriant thermol ar fandiau rwber fferyllol

Gellir lleihau straen mewn deunyddiau rheolegol trwy godi eu tymheredd. Byddwn yn defnyddio'r effaith hon mewn injan wres gydag egwyddor syndod o weithredu. Er mwyn ei gydosod, bydd angen: cap sgriw jar tun, tua dwsin o fandiau rwber byr, nodwydd fawr, darn hirsgwar o fetel dalen tenau, a lamp gyda bwlb poeth iawn. Dangosir dyluniad y modur yn Ffig. 6. I'w gydosod, torrwch y rhan ganol o'r clawr fel bod modrwy yn cael ei chael.

Reis. 5. Dull ar gyfer dangos plastisin a phriodweddau brau plastisin

a) taro'r bêl yn araf b) taro'n araf

c) taro cyflym ar y bêl, d) effaith taro cyflym;

1 - pêl blastisin, 2 - plât solet ac enfawr, 3 - morthwyl,

v - cyflymder morthwyl

Yng nghanol y fodrwy hon rydyn ni'n rhoi nodwydd, sef yr echelin, ac yn rhoi bandiau elastig arno fel eu bod yng nghanol ei hyd yn gorffwys yn erbyn y cylch ac yn cael eu hymestyn yn gryf. Dylid gosod y bandiau elastig yn gymesur ar y fodrwy, felly, ceir olwyn gyda sbocs wedi'i ffurfio o fandiau elastig. Plygwch ddarn o fetel dalen yn siâp crampon gyda breichiau wedi'u hymestyn allan, gan ganiatáu i chi osod y cylch a wnaed yn flaenorol rhyngddynt a gorchuddio hanner ei wyneb. Ar un ochr i'r cantilifer, ar ei ddwy ymyl fertigol, rydym yn gwneud toriad sy'n caniatáu inni osod echel yr olwyn ynddo.

Rhowch echel yr olwyn yng nghornel y gynhalydd. Rydyn ni'n cylchdroi'r olwyn gyda'n bysedd ac yn gwirio a yw'n gytbwys, h.y. a yw'n stopio mewn unrhyw sefyllfa. Os nad yw hyn yn wir, cydbwyswch yr olwyn trwy symud ychydig yn y man lle mae'r bandiau rwber yn cwrdd â'r cylch. Rhowch y braced ar y bwrdd a goleuwch y rhan o'r cylch sy'n ymwthio allan o'i fwâu gyda lamp poeth iawn. Mae'n ymddangos bod yr olwyn yn dechrau cylchdroi ar ôl ychydig.

Y rheswm am y symudiad hwn yw'r newid cyson yn lleoliad canol màs yr olwyn o ganlyniad i effaith a elwir yn rheolegwyr. ymlacio straen thermol.

Mae'r ymlacio hwn yn seiliedig ar y ffaith bod deunydd elastig dan straen mawr yn cyfangu wrth ei gynhesu. Yn ein injan, mae'r deunydd hwn yn fandiau rwber ochr olwyn sy'n ymwthio allan o'r braced braced a'i gynhesu gan fwlb golau. O ganlyniad, mae canol màs yr olwyn yn cael ei symud i'r ochr a gwmpesir gan y breichiau cynnal. O ganlyniad i gylchdroi'r olwyn, mae'r bandiau rwber wedi'u gwresogi yn disgyn rhwng ysgwyddau'r gefnogaeth ac yn oeri, gan eu bod wedi'u cuddio oddi wrth y bwlb yno. Mae rhwbwyr wedi'u hoeri yn ymestyn eto. Mae dilyniant y prosesau a ddisgrifir yn sicrhau cylchdroi parhaus yr olwyn.

Nid yn unig arbrofion ysblennydd

Reis. 6. Dyluniad injan gwres wedi'i wneud o fandiau rwber fferyllol

a) golygfa ochr

b) toriad gan blân echelinol; 1 - modrwy, 2 - nodwydd, 3 - rhwbiwr fferyllol,

4 - braced, 5 - toriad yn y braced, 6 - bwlb

Nawr rheoleg yn faes o ddiddordeb sy'n datblygu'n gyflym i ffisegwyr ac arbenigwyr ym maes y gwyddorau technegol. Gall ffenomenau rheolegol mewn rhai sefyllfaoedd gael effaith andwyol ar yr amgylchedd y maent yn digwydd ynddo a rhaid eu cymryd i ystyriaeth, er enghraifft, wrth ddylunio strwythurau dur mawr sy'n dadffurfio dros amser. Maent yn deillio o wasgaru'r defnydd o dan weithred llwythi actio a'i bwysau ei hun.

Mae mesuriadau cywir o drwch y dalennau copr sy'n gorchuddio toeau serth a ffenestri lliw mewn eglwysi hanesyddol wedi dangos bod yr elfennau hyn yn fwy trwchus ar y gwaelod nag ar y brig. Dyma'r canlyniad cyfredolcopr a gwydr dan eu pwysau eu hunain am rai cannoedd o flynyddoedd. Defnyddir ffenomenau rheolegol hefyd mewn llawer o dechnolegau gweithgynhyrchu modern ac economaidd. Enghraifft o hyn yw ailgylchu plastigau. Mae'r rhan fwyaf o gynhyrchion a wneir o'r deunyddiau hyn yn cael eu cynhyrchu ar hyn o bryd trwy allwthio, lluniadu a mowldio chwythu. Gwneir hyn ar ôl gwresogi'r deunydd a rhoi pwysau arno ar gyfradd a ddewiswyd yn briodol. Felly, ymhlith pethau eraill, ffoil, gwiail, pibellau, ffibrau, yn ogystal â theganau a rhannau peiriant gyda siapiau cymhleth. Manteision pwysig iawn y dulliau hyn yw cost isel a diwastraff.