Hooke의 법칙이 더 이상 충분하지 않을 때...

학교 교과서에서 알려진 Hooke의 법칙에 따르면 신체의 신장은 적용된 응력에 정비례해야 합니다. 그러나 현대 기술과 일상 생활에서 매우 중요한 많은 재료는 이 법칙을 대략적으로만 준수하거나 완전히 다르게 작동합니다. 물리학자와 공학자들은 그러한 물질이 유변학적 특성을 가지고 있다고 말합니다. 이러한 속성에 대한 연구는 몇 가지 흥미로운 실험의 대상이 될 것입니다.

유변학은 앞서 언급한 Hooke의 법칙에 기반한 탄성 이론을 넘어서는 거동을 가진 물질의 특성을 연구하는 학문입니다. 이 동작은 많은 흥미로운 현상과 관련이 있습니다. 여기에는 특히 다음이 포함됩니다. 전압 강하 후 재료가 원래 상태로 되돌아가는 지연, 즉 탄성 히스테리시스; 일정한 스트레스에서 신체 신장의 증가, 그렇지 않으면 흐름이라고 함; 또는 취성 재료의 특징적인 특성이 나타날 때까지 초기 소성체의 변형 및 경도에 대한 저항이 여러 번 증가합니다.

게으른 통치자

길이가 30cm 이상인 플라스틱 자의 한쪽 끝을 바이스 턱에 고정하여 자가 수직이 되도록 합니다(그림 1). 수직에서 눈금자의 상단을 몇 밀리미터만 거부하고 놓습니다. 눈금자의 자유 부분은 수직 평형 위치를 중심으로 여러 번 진동하고 원래 상태로 돌아갑니다(그림 1a). 관찰된 진동은 고조파입니다. 작은 편향에서 유도력으로 작용하는 탄성력의 크기는 자 끝의 편향에 정비례하기 때문입니다. 통치자의 이러한 행동은 탄성 이론에 의해 설명됩니다. 

쌀. 1. 자를 이용한 탄성이력현상 연구

1 - 눈금자,

2 - 바이스 턱, A - 수직에서 눈금자 끝의 편차

실험의 두 번째 부분에서는 눈금자의 위쪽 끝을 몇 센티미터 정도 구부려 놓은 다음 그 동작을 관찰합니다(그림 1b). 이제 이 끝은 천천히 평형 위치로 돌아가고 있습니다. 이는 자 재료의 탄성 한계를 초과했기 때문입니다. 이 효과는 탄성 히스테리시스. 그것은 변형된 신체가 원래 상태로 천천히 돌아가는 것으로 구성됩니다. 자의 위쪽 끝을 더 기울여 이 마지막 실험을 반복하면 반환 속도도 느려지고 최대 몇 분이 걸릴 수 있음을 알 수 있습니다. 또한 눈금자는 정확히 수직 위치로 돌아가지 않고 영구적으로 구부러진 상태를 유지합니다. 실험의 두 번째 부분에서 설명된 효과는 다음 중 하나에 불과합니다. 유변학 연구 주제.

돌아오는 새나 거미

다음 체험에서는 저렴하고 쉽게 구입할 수 있는 장난감을 사용합니다(간혹 매점에서도 구할 수 있음). 고리 모양의 손잡이가 달린 긴 끈으로 연결된 새 또는 거미와 같은 다른 동물 형태의 평평한 조각상으로 구성됩니다(그림 2a). 전체 장난감은 만지면 약간 끈적끈적한 탄력 있는 고무 같은 소재로 만들어졌습니다. 테이프는 찢어지지 않고 길이를 여러 번 늘려 아주 쉽게 늘릴 수 있습니다. 거울 유리나 가구 벽과 같은 매끄러운 표면 근처에서 실험을 수행합니다. 한 손의 손가락으로 손잡이를 잡고 물결을 만들어 장난감을 매끄러운 표면에 던집니다. 조각상이 표면에 달라붙고 테이프가 팽팽하게 유지되는 것을 알 수 있습니다. 수십 초 이상 손가락으로 핸들을 계속 잡습니다.

쌀. 2. 리턴 크로스를 사용하여 보여주는 탄성 히스테리시스의 생생한 예

1 - 거미 조각상, 2 - 고무줄,

3 - 손잡이, 4 - 손바닥, 5 - 표면

얼마 후, 조각상이 갑자기 표면에서 떨어져 열수축 테이프에 이끌려 빠르게 우리 손으로 돌아올 것임을 알 수 있습니다. 이 경우에도 이전 실험과 마찬가지로 전압의 느린 감쇠, 즉 탄성 히스테리시스가 있습니다. 늘어진 테이프의 탄성력은 시간이 지남에 따라 약해지는 패턴의 접착력을 극복합니다. 결과적으로 그림은 손으로 돌아갑니다. 이 실험에 사용된 장난감의 재료는 유변학자들에 의해 점탄성. 이 이름은 매끄러운 표면에 달라붙을 때 끈적거리는 특성과 이 표면에서 떨어져 원래 상태로 돌아가는 탄성 특성을 모두 나타낸다는 사실에 의해 정당화됩니다.

하강하는 사람

사진 1. 수직 벽을 타고 내려가는 조각상도 탄성 히스테리시스의 좋은 예입니다.

이 실험은 또한 점탄성 물질로 만들어진 쉽게 구할 수 있는 장난감을 사용할 것입니다(사진 1). 그것은 사람이나 거미의 모습으로 만들어집니다. 우리는 팔다리가 펼쳐진 상태에서이 장난감을 던지고 평평한 수직 표면, 바람직하게는 유리, 거울 또는 가구 벽에 거꾸로 뒤집습니다. 던진 물체가 이 표면에 달라붙습니다. 시간이 지나면 표면의 거칠기와 던지는 속도에 따라 지속 시간이 달라지며 장난감의 상단이 벗겨집니다. 이것은 앞에서 논의한 결과로 발생합니다. 탄성 히스테리시스 그리고 이전 실험에서 존재했던 벨트의 탄성력을 대체하는 피규어의 무게의 작용.

무게의 영향으로 장난감의 분리된 부분이 아래로 구부러지고 부품이 다시 수직 표면에 닿을 때까지 더 떨어져 나갑니다. 이 터치 후 그림의 다음 접착이 표면에 시작됩니다. 결과적으로 그림은 다시 접착되지만 머리가 아래로 향한 위치에 있습니다. 다리와 머리가 번갈아 가며 찢어지면서 아래에 설명된 과정이 반복됩니다. 그 효과는 그림이 수직 표면을 따라 내려와 장관을 이루는 플립을 만드는 것입니다.

유체 플라스틱

쌀. 3. 가소유동 시험

a) 초기 상황 b) 최종 상황

1 - 손바닥, 2 - 플라스틱 윗부분,

3 - 표시기, 4 - 수축, 5 - 찢어진 플라스틱 조각

이 실험과 여러 후속 실험에서 우리는 "마술 점토" 또는 "트리콜린"으로 알려진 장난감 가게에서 구할 수 있는 플라스틱을 사용할 것입니다. 우리는 길이 약 4cm, 두꺼운 부분의 직경이 1-2cm 이내이고 직경이 약 5mm 인 아령과 비슷한 모양의 플라스틱 조각을 반죽합니다 (그림 3a). 우리는 두꺼운 부분의 상단을 손가락으로 몰딩을 잡고 움직이지 않게 잡거나 두꺼운 부분의 하단 위치를 나타내는 설치된 마커 옆에 수직으로 매달립니다.

플라스틱 하단 끝의 위치를 ​​관찰하면 천천히 아래로 이동하고 있음을 알 수 있습니다. 이 경우 plasticine의 중간 부분이 압축됩니다. 이 과정을 재료의 흐름 또는 크리프라고 하며 일정한 응력의 작용 하에서 연신율을 증가시키는 것으로 구성됩니다. 우리의 경우 이 응력은 플라스틱 덤벨 하부의 무게로 인해 발생합니다(그림 3b). 미시적인 관점에서 현재의 이는 충분히 오랜 시간 동안 하중을 받는 재료의 구조가 변경된 결과입니다. 어느 순간 좁아진 부분의 강도가 너무 작아서 플라스틱 하부의 무게만으로도 부러집니다. 유속은 재료의 유형, 재료에 가해지는 응력의 양 및 방법을 비롯한 여러 요인에 따라 달라집니다.

우리가 사용하는 플라스틱은 흐름에 매우 민감하며 육안으로 수십 초 만에 볼 수 있습니다. 제 XNUMX 차 세계 대전 중 군용 차량용 타이어 생산에 적합한 합성 재료를 생산하려고 시도한 미국에서 매직 클레이가 우연히 발명되었다는 점을 덧붙일 가치가 있습니다. 불완전한 중합의 결과 특정 수의 분자가 결합되지 않은 물질이 얻어졌으며 다른 분자 간의 결합은 외부 요인의 영향으로 쉽게 위치를 변경할 수 있습니다. 이러한 "바운싱" 링크는 튀는 점토의 놀라운 특성에 기여합니다.

스트레이 볼

쌀. 4. 확산 및 응력 완화를 위한 플라스티신 테스트용 세트:

a) 초기 상황 b) 최종 상황 1 - 스틸 볼,

2 - 투명 용기, 3 - 플라스틱, 4 - 베이스

이제 마술 플라스틱을 작은 투명 용기에 짜내고 상단을 열어 기포가 없는지 확인하십시오 (그림 4a). 용기의 높이와 지름은 수 센티미터여야 합니다. 플라스틱 윗면 중앙에 직경 약 1,5cm의 강철 공을 놓고 공이있는 용기를 그대로 둡니다. 몇 시간마다 공의 위치를 ​​관찰합니다. 그것은 공 표면 위의 공간으로 들어가는 플라스틱으로 더 깊고 깊숙이 들어갑니다.

공의 무게, 사용된 플라스틱의 종류, 공과 팬의 크기, 주변 온도에 따라 충분히 오랜 시간이 지나면 공이 팬 바닥에 도달하는 것을 알 수 있습니다. 공 위의 공간은 플라스틱으로 완전히 채워집니다(그림 4b). 이 실험은 물질이 흐르고 스트레스 해소.

점핑 플라스티신

마법의 플레이도우를 공 모양으로 만들어 바닥이나 벽과 같은 딱딱한 표면에 재빨리 던집니다. 우리는 플라스틱이 탄력 있는 고무공처럼 이러한 표면에서 튀는 것을 보고 놀랐습니다. 매직 클레이는 가소성 및 탄성 특성을 모두 나타낼 수 있는 몸체입니다. 부하가 얼마나 빨리 작용하는지에 따라 다릅니다.

반죽하는 경우와 같이 천천히 응력이 가해지면 소성 특성을 나타냅니다. 반면에 바닥이나 벽과 충돌할 때 발생하는 빠른 힘의 적용으로 플라스티신은 탄성 특성을 나타냅니다. 매직클레이는 간단히 소성탄성체라고 할 수 있습니다.

인장 플라스틱

사진 2. 매직 클레이의 느린 연신 효과(연신된 섬유의 길이는 약 60cm)

이번에는 직경이 약 1cm이고 길이가 몇 센티미터인 마법의 플라스틱 원통을 만듭니다. 오른손과 왼손의 손가락으로 양쪽 끝을 잡고 롤러를 수평으로 설정하십시오. 그런 다음 팔을 하나의 직선으로 옆으로 천천히 펴서 실린더를 축 방향으로 늘립니다. 우리는 플라스틱이 저항력이 거의 없다고 느끼고 가운데가 좁아지는 것을 발견했습니다.

플라스틱 실린더의 길이는 중앙 부분에 얇은 실이 형성되어 시간이 지남에 따라 끊어 질 때까지 수십 센티미터까지 늘릴 수 있습니다 (사진 2). 이 경험은 소성-탄성체에 천천히 응력을 가함으로써 그것을 파괴하지 않고 매우 큰 변형을 일으킬 수 있음을 보여줍니다.

단단한 플라스틱

이전 실험과 같은 방식으로 매직 플라스틱 실린더를 준비하고 같은 방식으로 끝 부분을 손가락으로 감습니다. 주의를 집중시킨 후 가능한 한 빨리 팔을 옆으로 벌리고 실린더를 날카롭게 늘립니다. 이 경우 우리는 플라스틱의 매우 높은 저항을 느끼고 실린더는 놀랍게도 전혀 늘어나지 않지만 마치 칼로 자르는 것처럼 길이의 절반으로 끊어집니다 (사진 3). 이 실험은 또한 소성-탄성체의 변형 특성이 응력 적용률에 따라 달라진다는 것을 보여줍니다.

Plasticine은 유리처럼 깨지기 쉽습니다.

사진 3. 매직 플라스틱의 빠른 스트레칭 결과 - 연약한 재료의 균열과 유사한 몇 배 더 적은 연신율과 날카로운 모서리를 볼 수 있습니다.

이 실험은 응력률이 소성-탄성체의 특성에 어떤 영향을 미치는지 훨씬 더 명확하게 보여줍니다. 매직 클레이로 직경 약 1,5cm의 공을 만들고 무거운 철판, 모루 또는 콘크리트 바닥과 같은 단단하고 육중한 바닥에 놓습니다. 무게가 0,5kg 이상인 망치로 공을 천천히 치십시오(그림 5a). 이 상황에서 공은 플라스틱 몸체처럼 행동하고 망치가 떨어지면 평평해집니다(그림 5b).

납작한 플라스틱을 다시 공 모양으로 만들고 이전과 같이 접시 위에 놓습니다. 다시 우리는 망치로 공을 치지만 이번에는 가능한 한 빨리 하려고 합니다(그림 5c). 이 경우 플라스틱 공은 마치 유리나 도자기와 같은 깨지기 쉬운 재료로 만들어진 것처럼 행동하고 충격을 받으면 모든 방향으로 산산조각이 납니다(그림 5d).

제약 고무 밴드의 열 기계

유변학적 재료의 응력은 온도를 높여서 줄일 수 있습니다. 놀라운 작동 원리를 가진 열기관에서 이 효과를 사용할 것입니다. 그것을 조립하려면 주석 병 나사 캡, 6개 정도의 짧은 고무 밴드, 큰 바늘, 직사각형의 얇은 판금 조각, 매우 뜨거운 전구가 있는 램프가 필요합니다. 모터의 디자인은 그림 XNUMX에 나와 있습니다. XNUMX. 조립하려면 덮개에서 중간 부분을 잘라 링을 얻습니다.

쌀. 5. 가소성 및 가소성의 취성 특성을 입증하는 방법

a) 공을 천천히 치는 것 b) 천천히 치는 것

c) 공에 대한 빠른 타격, d) 빠른 타격의 효과;

1 - 플라스틱 공, 2 - 단단하고 거대한 판, 3 - 망치,

v - 해머 속도

이 링의 중앙에 축인 바늘을 놓고 길이의 중간에 링에 기대어 강하게 늘어나도록 탄성 밴드를 그 위에 놓습니다. 탄성 밴드는 링에 대칭으로 배치되어야 탄성 밴드로 형성된 스포크가 있는 휠이 얻어진다. 판금 조각을 팔을 뻗어 크램폰 모양으로 구부리면 이전에 만든 원을 그 사이에 놓고 표면의 절반을 덮을 수 있습니다. 캔틸레버의 한쪽, 수직 ​​가장자리 양쪽에 휠 액슬을 배치할 수 있는 컷아웃을 만듭니다.

지지대 컷아웃에 휠 축을 놓습니다. 손가락으로 바퀴를 돌려 균형이 맞는지 확인합니다. 어떤 위치에서 멈추나요? 그렇지 않은 경우 고무 밴드가 링과 만나는 위치를 약간 이동하여 휠의 균형을 맞춥니다. 브래킷을 테이블 위에 놓고 아치에서 튀어 나온 원 부분을 매우 뜨거운 램프로 비춥니다. 잠시 후 바퀴가 회전하기 시작합니다.

이 움직임의 이유는 유변학자라고 하는 효과의 결과로 휠의 질량 중심 위치가 지속적으로 변경되기 때문입니다. 열응력 완화.

이 이완은 높은 응력을 받는 탄성 재료가 가열되면 수축한다는 사실에 근거합니다. 우리 엔진에서 이 소재는 브래킷 브래킷에서 튀어나와 전구로 가열되는 휠 사이드 고무 밴드입니다. 결과적으로 휠의 질량 중심이 지지대 암으로 덮힌 쪽으로 이동합니다. 바퀴의 회전으로 인해 가열 된 고무 밴드가 전구에서 숨겨져 있기 때문에 지지대의 어깨 사이로 떨어지고 식습니다. 냉각된 지우개가 다시 길어집니다. 설명된 프로세스의 순서는 휠의 지속적인 회전을 보장합니다.

화려한 실험뿐만 아니라

쌀. 6. 제약용 고무줄로 만든 열기관의 설계

가) 측면도

b) 축 평면에 의한 단면; 1 - 링, 2 - 바늘, 3 - 제약 지우개,

4 - 브래킷, 5 - 브래킷의 컷아웃, 6 - 전구

지금 유변학 기술 과학 분야의 물리학자와 전문가 모두에게 빠르게 발전하는 관심 분야입니다. 일부 상황에서 유변학적 현상은 현상이 발생하는 환경에 악영향을 미칠 수 있으며, 예를 들어 시간이 지남에 따라 변형되는 대형 강철 구조물을 설계할 때 이를 고려해야 합니다. 그것들은 작용하는 하중과 자체 중량의 작용 하에 재료가 퍼지는 결과입니다.

역사적인 교회의 가파른 지붕과 스테인드 글라스 창을 덮고 있는 동판의 두께를 정확하게 측정한 결과 이러한 요소가 상단보다 하단이 더 두껍다는 것을 알 수 있습니다. 결과입니다 현재의수백 년 동안 자체 무게로 구리와 유리를 모두 사용했습니다. 유변학적 현상은 많은 현대적이고 경제적인 제조 기술에도 사용됩니다. 플라스틱 재활용이 그 예입니다. 이러한 재료로 만든 대부분의 제품은 현재 압출, 드로잉 및 블로우 성형으로 제조됩니다. 이것은 재료를 가열하고 적절하게 선택된 속도로 재료에 압력을 가한 후에 수행됩니다. 따라서 무엇보다도 호일, 막대, 파이프, 섬유, 복잡한 모양의 장난감 및 기계 부품이 있습니다. 이러한 방법의 매우 중요한 장점은 비용이 저렴하고 낭비가 없다는 것입니다.