כשחוק הוק כבר לא מספיק...

על פי חוק הוק המוכר מספרי הלימוד בבית הספר, התארכות הגוף צריכה להיות פרופורציונלית ישירה למתח המופעל. עם זאת, חומרים רבים בעלי חשיבות רבה בטכנולוגיה המודרנית ובחיי היומיום תואמים רק בקירוב לחוק זה או מתנהגים אחרת לגמרי. פיזיקאים ומהנדסים אומרים שלחומרים כאלה יש תכונות ריאולוגיות. חקר המאפיינים הללו יהיה נושא לכמה ניסויים מעניינים.

ריאולוגיה היא חקר התכונות של חומרים שהתנהגותם חורגת מתיאוריית הגמישות המבוססת על חוק הוק הנ"ל. התנהגות זו קשורה להרבה תופעות מעניינות. אלה כוללים, בפרט: העיכוב בהחזרת החומר למצבו המקורי לאחר נפילת מתח, כלומר היסטרזיס אלסטי; עלייה בהתארכות הגוף במתח קבוע, המכונה אחרת זרימה; או עלייה מרובה בהתנגדות לעיוות וקשיות של גוף פלסטי בתחילה, עד להופעת תכונות האופייניות לחומרים שבירים.

שליט עצלן

קצה אחד של סרגל פלסטיק באורך של 30 ס"מ ומעלה מקובע בלסתות המלחצים כך שהסרגל יהיה אנכי (איור 1). אנו דוחים את הקצה העליון של הסרגל מהאנך בכמה מילימטרים בלבד ומשחררים אותו. שימו לב שהחלק החופשי של הסרגל מתנודד מספר פעמים סביב מיקום שיווי המשקל האנכי וחוזר למצבו המקורי (איור 1א). התנודות הנצפות הן הרמוניות, שכן בהסטות קטנות גודל הכוח האלסטי הפועל ככוח מנחה עומד ביחס ישר להטיית קצה הסרגל. התנהגות זו של השליט מתוארת על ידי תורת האלסטיות. 

אורז. 1. לימוד היסטרזיס אלסטי באמצעות סרגל

1 - אמבולנס,

2 - מלסתות מלחציים, A - סטייה של קצה הסרגל מהאנך

בחלק השני של הניסוי, אנו מסיטים את הקצה העליון של הסרגל במספר סנטימטרים, משחררים אותו ומתבוננים בהתנהגותו (איור 1ב). כעת הסוף הזה חוזר לאט לאט לעמדת שיווי המשקל. זה נובע מעודף הגבול האלסטי של חומר הסרגל. אפקט זה נקרא היסטרזיס אלסטי. הוא מורכב מחזרה איטית של הגוף המעוות למצבו המקורי. אם נחזור על הניסוי האחרון על ידי הטיית הקצה העליון של הסרגל עוד יותר, נגלה שגם החזרתו תהיה איטית יותר ועשויה להימשך עד מספר דקות. בנוסף, הסרגל לא יחזור בדיוק למצב האנכי ויישאר כפוף לצמיתות. ההשפעות המתוארות בחלק השני של הניסוי הן רק אחת מהן נושאי מחקר ריאולוגיה.

ציפור או עכביש חוזרים

לחוויה הבאה נשתמש בצעצוע זול וקל לקנייה (לעיתים אפילו זמין בקיוסקים). הוא מורכב מפסלון שטוח בצורת ציפור או חיה אחרת, כגון עכביש, המחובר ברצועה ארוכה עם ידית בצורת טבעת (איור 2א). הצעצוע כולו עשוי מחומר גמיש דמוי גומי, מעט דביק למגע. ניתן למתוח את הסרט בקלות רבה, ולהגדיל את אורכו מספר פעמים מבלי לקרוע אותו. אנו עורכים ניסוי ליד משטח חלק, כגון זכוכית מראה או קיר רהיטים. באצבעות של יד אחת, החזיקו את הידית והפעילו גל, ובכך לזרוק את הצעצוע על משטח חלק. תבחין שהפיגורה נדבקת למשטח והסרט נשאר מתוח. אנו ממשיכים להחזיק את הידית באצבעותינו במשך כמה עשרות שניות או יותר.

אורז. 2. דוגמה חיה של היסטרזיס אלסטי, המוצג באמצעות צלב חוזר

1 - פסלון עכביש, 2 - גומייה,

3 - ידית, 4 - כף היד, 5 - משטח

לאחר זמן מה, אנו מבחינים כי הפסלון ירד בפתאומיות מהמשטח, ונמשך על ידי סרט כיווץ חום, יחזור במהירות לידינו. במקרה זה, כמו בניסוי הקודם, יש גם דעיכה איטית של המתח, כלומר היסטרזיס אלסטי. הכוחות האלסטיים של הסרט המתוח מתגברים על כוחות ההיצמדות של התבנית למשטח, שנחלשים עם הזמן. כתוצאה מכך, הדמות חוזרת אל היד. החומר של הצעצוע המשמש בניסוי זה נקרא על ידי ריאולוגים ויסקו אלסטי. השם הזה מוצדק בעובדה שהוא מפגין גם תכונות דביקות - כאשר הוא נצמד למשטח חלק, וגם תכונות אלסטיות - שבגללן הוא מתנתק ממשטח זה וחוזר למצבו המקורי.

אדם יורד

תמונה 1. פסלון היורד מקיר אנכי הוא גם דוגמה מצוינת להיסטרזה אלסטית.

ניסוי זה ישתמש גם בצעצוע זמין עשוי מחומר ויסקו אלסטי (תמונה 1). זה עשוי בצורה של דמות של גבר או עכביש. אנחנו זורקים את הצעצוע הזה עם איברים פרוסים והופכים על משטח אנכי שטוח, רצוי על קיר זכוכית, מראה או רהיטים. חפץ נזרק נדבק למשטח הזה. לאחר זמן מה, שמשך הזמן תלוי בין היתר בחספוס המשטח ובמהירות ההשלכה, החלק העליון של הצעצוע יורד. זה קורה כתוצאה ממה שנדון קודם לכן. היסטרזיס אלסטי ופעולת משקל הדמות, המחליף את הכוח האלסטי של החגורה, שהיה קיים בניסוי הקודם.

בהשפעת המשקל, החלק המנותק של הצעצוע מתכופף ומתנתק עוד יותר עד שהחלק שוב נוגע במשטח האנכי. לאחר מגע זה, מתחילה ההדבקה הבאה של הדמות על פני השטח. כתוצאה מכך, הדמות תודבק שוב, אך במצב ראש למטה. התהליכים המתוארים להלן חוזרים על עצמם, כאשר הדמויות קורעות לסירוגין את הרגליים ולאחר מכן את הראש. ההשפעה היא שהדמות יורדת לאורך משטח אנכי, ועושה סיבובים מרהיבים.

פלסטלינה נוזלית

אורז. 3. בדיקת זרימת פלסטלינה

א) מצב ראשוני, ב) מצב סופי;

1 - כף היד, 2 - חלק עליון של פלסטלינה,

3 - מחוון, 4 - התכווצות, 5 - חתיכת פלסטלינה קרועה

בניסויים זה ובמספר ניסויים הבאים, נשתמש בפלסטלינה הזמינה בחנויות צעצועים, המכונה "חימר קסם" או "טריקולין". נלוש פיסת פלסטלינה בצורה דומה למשקולת, באורך של כ-4 ס"מ ובקוטר של חלקים עבים יותר בתוך 1-2 ס"מ ובקוטר מצטמצם של כ-5 מ"מ (איור 3א). אנו תופסים את התבנית באצבעותינו בקצה העליון של החלק העבה יותר ומחזיקים אותו ללא תנועה או תולים אותו אנכית ליד הטוש המותקן המציין את מיקום הקצה התחתון של החלק העבה.

בהתבוננות במיקום הקצה התחתון של הפלסטלינה, נציין שהיא נעה לאט למטה. במקרה זה, החלק האמצעי של הפלסטלינה דחוס. תהליך זה נקרא זרימה או זחילה של החומר והוא מורכב מהגברת התארכותו בפעולה של לחץ מתמיד. במקרה שלנו, מתח זה נגרם ממשקל החלק התחתון של משקולת הפלסטלינה (איור 3ב). מנקודת מבט מיקרוסקופית נוכחי זוהי תוצאה של שינוי במבנה החומר הנתון לעומסים במשך זמן רב מספיק. בשלב מסוים, החוזק של החלק המצומצם כל כך קטן עד שהוא נשבר תחת משקל החלק התחתון של הפלסטלינה בלבד. קצב הזרימה תלוי בגורמים רבים, כולל סוג החומר, כמות ושיטת הפעלת הלחץ עליו.

הפלסטלינה בה אנו משתמשים רגישה ביותר לזרימה, ונוכל לראות אותה בעין בלתי מזוינת תוך כמה עשרות שניות. ראוי להוסיף כי חימר הקסם הומצא במקרה בארצות הברית, בזמן מלחמת העולם השנייה, כאשר נעשו ניסיונות לייצר חומר סינטטי המתאים לייצור צמיגים לרכב צבאי. כתוצאה מפילמור לא שלם, התקבל חומר שמספר מסוים של מולקולות לא היה קשור בו, וקשרים בין מולקולות אחרות יכלו לשנות בקלות את מיקומן בהשפעת גורמים חיצוניים. הקישורים ה"מקפצים" הללו תורמים לתכונות המדהימות של חימר מקפץ.

כדור תועה

אורז. 4. סט לבדיקת פלסטלינה לפיזור והרפיית מתח:

א) מצב ראשוני, ב) מצב סופי; 1 - כדור פלדה,

2 - כלי שקוף, 3 - פלסטלינה, 4 - בסיס

כעת סוחטים את הפלסטלינה הקסומה לתוך כלי שקוף קטן, פתוח בחלקו העליון, מוודאים שאין בו בועות אוויר (איור 4א). הגובה והקוטר של הכלי צריכים להיות כמה סנטימטרים. מניחים כדור פלדה בקוטר של כ-1,5 ס"מ במרכז המשטח העליון של הפלסטלינה. משאירים את הכלי עם הכדור לבד. כל כמה שעות אנו צופים במיקום הכדור. שימו לב שהוא הולך עמוק יותר לתוך הפלסטלינה, שבתורה, נכנס לחלל שמעל פני הכדור.

לאחר זמן מספיק ארוך, שתלוי ב: משקל הכדור, סוג הפלסטלינה בשימוש, גודל הכדור והמחבת, טמפרטורת הסביבה, אנו מבחינים שהכדור מגיע לתחתית התבנית. החלל מעל הכדור יתמלא לחלוטין בפלסטלינה (איור 4ב). ניסוי זה מראה שהחומר זורם ו לשחרר לחצים.

פלסטלינה קופצת

יוצרים כדור של בצק קסם והשליכו אותו במהירות על משטח קשה כמו הרצפה או הקיר. אנו מבחינים בהפתעה שהפלסטלינה קופצת מהמשטחים הללו כמו כדור גומי קופצני. חימר קסם הוא גוף שיכול להפגין תכונות פלסטיות ואלסטיות כאחד. זה תלוי באיזו מהירות העומס יפעל עליו.

כאשר הלחצים מופעלים לאט, כמו במקרה של לישה, הוא מפגין תכונות פלסטיות. מצד שני, עם הפעלת כוח מהירה, המתרחשת בעת התנגשות ברצפה או בקיר, פלסטלינה מציגה תכונות אלסטיות. חימר קסם יכול להיקרא בקצרה גוף פלסטי אלסטי.

פלסטלינה מתיחה

תמונה 2. השפעת מתיחה איטית של חימר קסם (אורך הסיב המתוח כ-60 ס"מ)

הפעם יוצרים גליל פלסטלינה קסום בקוטר של כ-1 ס"מ ובאורך של כמה ס"מ. קח את שני הקצוות עם האצבעות של יד ימין ושמאל והנח את הגלגלת אופקית. לאחר מכן אנו פורשים לאט את זרועותינו לצדדים בקו אחד ישר, ובכך גורמים לגליל להימתח בכיוון הצירי. אנו מרגישים שהפלסטלינה כמעט ואינה מציעה התנגדות, ושמנו לב שהיא מצטמצמת באמצע.

ניתן להגדיל את אורך גליל הפלסטלינה לכמה עשרות סנטימטרים, עד שנוצר חוט דק בחלקו המרכזי שיישבר עם הזמן (תמונה 2). ניסיון זה מראה כי על ידי הפעלת לחץ לאט על גוף פלסטי-אלסטי, ניתן לגרום לעיוות גדול מאוד מבלי להרוס אותו.

פלסטלינה קשה

אנחנו מכינים את גליל הפלסטלינה הקסום באותו אופן כמו בניסוי הקודם ועוטפים את האצבעות סביב קצותיו באותו אופן. לאחר ריכזנו את תשומת הלב, פרשנו את זרועותינו לצדדים במהירות האפשרית, מתוך רצון למתוח בחדות את הגליל. מסתבר שבמקרה זה אנו מרגישים עמידות גבוהה מאוד של פלסטלינה, והגליל, למרבה ההפתעה, אינו מתארך כלל, אלא נשבר במחצית אורכו, כאילו נחתך בסכין (תמונה 3). ניסוי זה גם מראה שאופי העיוות של גוף פלסטי-אלסטי תלוי בקצב הפעלת הלחץ.

פלסטלינה שבירה כמו זכוכית

תמונה 3. התוצאה של מתיחה מהירה של פלסטלינה קסומה - ניתן לראות הרבה פעמים פחות התארכות וקצה חד, הדומה לסדק בחומר שביר

ניסוי זה מראה ביתר ברור כיצד קצב הלחץ משפיע על תכונותיו של גוף פלסטי-אלסטי. יוצרים מחימר קסם כדור בקוטר של כ-1,5 ס"מ ומניחים אותו על בסיס מוצק ומסיבי כמו פלטה כבדה, סדן או רצפת בטון. הכה באיטיות בכדור עם פטיש במשקל של לפחות 0,5 ק"ג (איור 5א). מסתבר שבמצב זה הכדור מתנהג כמו גוף פלסטיק ומשתטח לאחר שנפל עליו פטיש (איור 5ב).

יוצרים מהפלסטלינה הפחוסה שוב כדור ומניחים על הצלחת כמו קודם. שוב אנחנו מכים את הכדור בפטיש, אבל הפעם אנחנו מנסים לעשות את זה כמה שיותר מהר (איור 5c). מסתבר שכדור הפלסטלינה במקרה זה מתנהג כאילו הוא עשוי מחומר שביר, כמו זכוכית או פורצלן, ובנגיעה הוא מתנפץ לרסיסים לכל הכיוונים (איור 5ד).

מכונה תרמית על גומיות פרמצבטיות

ניתן להפחית מתח בחומרים ריאולוגיים על ידי העלאת הטמפרטורה שלהם. אנו נשתמש באפקט הזה במנוע חום בעל עקרון פעולה מפתיע. כדי להרכיב אותו, תצטרך: מכסה הברגה של צנצנת פח, תריסר גומיות קצרות לערך, מחט גדולה, חתיכה מלבנית של מתכת דקה, ומנורה עם נורה חמה מאוד. עיצוב המנוע מוצג באיור 6. כדי להרכיב אותו, גזרו את החלק האמצעי מהכיסוי כך שתתקבל טבעת.

אורז. 5. שיטה להדגמת פלסטלינה ותכונותיה השבירות של הפלסטלינה

א) פגיעה איטית בכדור ב) פגיעה איטית

ג) מכה מהירה בכדור, ד) השפעת מכה מהירה;

1 - כדור פלסטלינה, 2 - צלחת מוצקה ומסיבית, 3 - פטיש,

v - מהירות פטיש

במרכז הטבעת הזו שמים מחט, שהיא הציר, ונשים עליה רצועות אלסטיות כך שבאמצע אורכה הן מונחות על הטבעת ונמתחות חזק. יש למקם את הרצועות האלסטיות באופן סימטרי על הטבעת, וכך מתקבל גלגל עם חישורים שנוצרו מרצועות אלסטיות. כופפו פיסת גיליון מתכת לצורת קרמפון כשהזרועות מתוחות החוצה, ומאפשרים לכם למקם ביניהן את העיגול שנוצר קודם לכן ולכסות מחצית משטחו. בצד אחד של השלוחה, בשני הקצוות האנכיים שלו, אנו עורכים גזרה המאפשרת לנו למקם את ציר הגלגל בתוכו.

הנח את ציר הגלגל בחתך התמיכה. אנחנו מסובבים את הגלגל עם האצבעות ובודקים אם הוא מאוזן, כלומר. האם זה נעצר בכל עמדה. אם זה לא המקרה, איזן את הגלגל על ​​ידי הזזה קלה של המקום שבו הגומיות פוגשות את הטבעת. הניחו את התושבת על השולחן והאירו את חלק המעגל הבולט מקשתותיו בעזרת מנורה חמה מאוד. מסתבר שאחרי זמן מה הגלגל מתחיל להסתובב.

הסיבה לתנועה זו היא השינוי המתמיד במיקום מרכז המסה של הגלגל כתוצאה מאפקט הנקרא ריאולוגים. הרפיית מתח תרמי.

הרפיה זו מבוססת על העובדה שחומר אלסטי לחוץ מאוד מתכווץ בעת חימום. במנוע שלנו, החומר הזה הוא גומיות בצד הגלגל הבולטות מתושבת התושבת ומחוממות על ידי נורה. כתוצאה מכך, מרכז המסה של הגלגל מוסט לצד המכוסה על ידי זרועות התמיכה. כתוצאה מסיבוב הגלגל, הגומיות המחוממות נופלות בין כתפי התמיכה ומתקררות, שכן שם הן מוסתרות מהנורה. מחקים מקוררים מתארכים שוב. רצף התהליכים המתוארים מבטיח סיבוב מתמשך של הגלגל.

לא רק ניסויים מרהיבים

אורז. 6. עיצוב מנוע חום עשוי מגומיות פרמצבטיות

א) מבט מהצד

ב) חתך על ידי מישור צירי; 1 - טבעת, 2 - מחט, 3 - מחק פרמצבטי,

4 - סוגר, 5 - חתך בסוגר, 6 - נורה

עכשיו ריאולוגיה הוא תחום מתפתח במהירות ומעניין הן לפיזיקאים והן למומחים בתחום המדעים הטכניים. לתופעות ריאולוגיות במצבים מסוימים יכולה להיות השפעה שלילית על הסביבה בה הן מתרחשות ויש לקחת אותן בחשבון, למשל, בעת תכנון מבני פלדה גדולים שמתעוותים לאורך זמן. הם נובעים מהתפשטות החומר תחת פעולת עומסים הפועלים ומשקלו העצמי.

מדידות מדויקות של עובי יריעות הנחושת המכסות גגות תלולים וחלונות ויטראז' בכנסיות היסטוריות הראו שאלמנטים אלה עבים יותר בתחתית מאשר בחלק העליון. זו התוצאה נוכחיגם נחושת וגם זכוכית תחת המשקל שלהם במשך כמה מאות שנים. תופעות ריאולוגיות משמשות גם בטכנולוגיות ייצור מודרניות וחסכוניות רבות. דוגמה לכך היא מיחזור פלסטיק. רוב המוצרים העשויים מחומרים אלו מיוצרים כיום בשיחול, שרטוט ויציקת מכה. זה נעשה לאחר חימום החומר והפעלת לחץ עליו בקצב שנבחר כראוי. כך, בין היתר, נייר כסף, מוטות, צינורות, סיבים, כמו גם צעצועים וחלקי מכונות של צורות מורכבות. יתרונות חשובים מאוד של שיטות אלה הם עלות נמוכה ואי-פסולת.