Khi Định luật Hooke không còn đủ ...

Theo định luật Hooke được biết đến trong sách giáo khoa ở trường, độ dài của cơ thể phải tỷ lệ thuận với ứng suất tác dụng. Tuy nhiên, nhiều vật liệu có tầm quan trọng lớn trong công nghệ hiện đại và cuộc sống hàng ngày chỉ xấp xỉ tuân thủ luật này hoặc hoạt động hoàn toàn khác. Các nhà vật lý và kỹ sư nói rằng những vật liệu như vậy có đặc tính lưu biến. Việc nghiên cứu các tính chất này sẽ là chủ đề của một số thí nghiệm thú vị.

Lưu biến học là nghiên cứu về các thuộc tính của vật liệu mà hành vi của chúng vượt ra ngoài lý thuyết về tính đàn hồi dựa trên định luật Hooke đã nói ở trên. Hành vi này gắn liền với nhiều hiện tượng thú vị. Đặc biệt, chúng bao gồm: độ trễ trong việc đưa vật liệu trở lại trạng thái ban đầu sau khi giảm điện áp, tức là độ trễ đàn hồi; tăng độ giãn dài của cơ thể khi căng thẳng liên tục, còn được gọi là dòng chảy; hoặc tăng nhiều lần khả năng chống biến dạng và độ cứng của thân nhựa ban đầu, cho đến khi xuất hiện các tính chất đặc trưng của vật liệu giòn.

kẻ lười biếng

Một đầu của thước nhựa dài từ 30 cm trở lên được cố định trong hàm vise sao cho thước thẳng đứng (Hình 1). Chúng tôi loại bỏ đầu trên của thước so với phương thẳng đứng chỉ vài mm và thả nó ra. Chú ý rằng phần tự do của thước dao động vài lần quanh vị trí cân bằng thẳng đứng rồi trở lại trạng thái ban đầu (Hình 1a). Các dao động quan sát được là dao động điều hòa, vì ở độ lệch nhỏ, độ lớn của lực đàn hồi đóng vai trò là lực hướng dẫn tỷ lệ thuận với độ lệch của đầu thước. Hành vi này của thước được mô tả bằng lý thuyết đàn hồi. 

Cơm. 1. Nghiên cứu hiện tượng trễ đàn hồi dùng thước

1 – xe cứu thương,

2 - hàm kẹp, A - độ lệch của đầu thước so với phương thẳng đứng

Trong phần thứ hai của thí nghiệm, chúng tôi làm lệch đầu trên của thước vài cm, thả nó ra và quan sát hoạt động của nó (Hình 1b). Bây giờ đầu này đang từ từ trở lại vị trí cân bằng. Điều này là do sự vượt quá giới hạn đàn hồi của vật liệu làm thước. Hiệu ứng này được gọi là trễ đàn hồi. Nó bao gồm việc cơ thể bị biến dạng chậm trở lại trạng thái ban đầu. Nếu lặp lại thí nghiệm cuối cùng này bằng cách nghiêng đầu trên của thước nhiều hơn, chúng ta sẽ thấy rằng tốc độ quay trở lại của nó cũng sẽ chậm hơn và có thể mất đến vài phút. Ngoài ra, thước sẽ không trở lại chính xác vị trí thẳng đứng và sẽ vĩnh viễn bị uốn cong. Các hiệu ứng được mô tả trong phần thứ hai của thử nghiệm chỉ là một trong số đối tượng nghiên cứu lưu biến học.

Chim hoặc nhện quay trở lại

Đối với trải nghiệm tiếp theo, chúng tôi sẽ sử dụng một món đồ chơi rẻ và dễ mua (đôi khi thậm chí có sẵn trong các ki-ốt). Nó bao gồm một bức tượng nhỏ hình con chim hoặc động vật khác, chẳng hạn như con nhện, được kết nối bằng một dây đeo dài có tay cầm hình nhẫn (Hình 2a). Toàn bộ đồ chơi được làm bằng vật liệu đàn hồi, giống như cao su và hơi dính khi chạm vào. Băng có thể được kéo căng rất dễ dàng, tăng chiều dài lên nhiều lần mà không bị rách. Chúng tôi tiến hành một thí nghiệm gần một bề mặt nhẵn, chẳng hạn như kính gương hoặc bức tường đồ nội thất. Bằng các ngón tay của một bàn tay, giữ tay cầm và tạo ra một làn sóng, qua đó ném đồ chơi lên bề mặt nhẵn. Bạn sẽ nhận thấy rằng bức tượng nhỏ dính vào bề mặt và băng vẫn căng. Chúng ta tiếp tục giữ tay cầm bằng các ngón tay trong vài chục giây hoặc hơn.

Cơm. 2. Một ví dụ sinh động về độ trễ đàn hồi, được hiển thị bằng cách sử dụng một dấu chéo quay trở lại

1 - tượng nhện, 2 - dây cao su,

3 - tay cầm, 4 - lòng bàn tay, 5 - bề mặt

Sau một thời gian, chúng tôi nhận thấy rằng bức tượng nhỏ sẽ đột ngột bong ra khỏi bề mặt và bị thu hút bởi một băng co nhiệt, sẽ nhanh chóng trở lại tay chúng tôi. Trong trường hợp này, như trong thí nghiệm trước, cũng có sự phân rã chậm của điện áp, tức là độ trễ đàn hồi. Các lực đàn hồi của băng bị kéo căng sẽ khắc phục các lực bám dính của hoa văn lên bề mặt, những lực này sẽ yếu đi theo thời gian. Kết quả là, con số trở lại bàn tay. Vật liệu của đồ chơi được sử dụng trong thí nghiệm này được các nhà lưu biến học gọi là nhớt. Tên gọi này được chứng minh bởi thực tế là nó thể hiện cả đặc tính dính - khi dính vào bề mặt nhẵn và đặc tính đàn hồi - do đó nó tách ra khỏi bề mặt này và trở lại trạng thái ban đầu.

người đàn ông đi xuống

Ảnh 1. Một bức tượng nhỏ xuống một bức tường thẳng đứng cũng là một ví dụ tuyệt vời về hiện tượng trễ đàn hồi.

Thí nghiệm này cũng sẽ sử dụng một đồ chơi sẵn có làm bằng vật liệu dẻo (ảnh 1). Nó được làm dưới hình dạng của một người đàn ông hoặc một con nhện. Chúng ta ném đồ chơi này bằng các chi đã triển khai và lộn ngược trên một mặt phẳng thẳng đứng, tốt nhất là trên tường kính, gương hoặc đồ nội thất. Một vật bị ném ra dính vào bề mặt này. Sau một thời gian, khoảng thời gian đó phụ thuộc vào độ nhám của bề mặt và tốc độ ném, phần trên của đồ chơi sẽ bong ra. Điều này xảy ra là kết quả của những gì đã được thảo luận trước đó. trễ đàn hồi và tác dụng của quả nặng thay thế cho lực đàn hồi của dây đai, đã có trong thí nghiệm trước.

Dưới tác dụng của trọng lượng, bộ phận tách rời của đồ chơi bị uốn cong và đứt ra thêm cho đến khi bộ phận này tiếp tục chạm vào bề mặt thẳng đứng. Sau lần chạm này, việc dán hình tiếp theo lên bề mặt sẽ bắt đầu. Kết quả là, hình sẽ được dán lại, nhưng ở tư thế cúi đầu. Các quá trình được mô tả dưới đây được lặp đi lặp lại, với các hình lần lượt xé bỏ chân và sau đó là đầu. Hiệu ứng là con số hạ xuống dọc theo một bề mặt thẳng đứng, tạo ra những cú lật ngoạn mục.

Chất dẻo chất lỏng

Cơm. 3. Kiểm tra dòng chảy plasticine

a) tình huống ban đầu, b) tình huống cuối cùng;

1 - lòng bàn tay, 2 - phần trên của plasticine,

3 - chỉ báo, 4 - co thắt, 5 - miếng plasticine bị rách

Trong thí nghiệm này và một số thí nghiệm tiếp theo, chúng tôi sẽ sử dụng chất dẻo có sẵn trong các cửa hàng đồ chơi, được gọi là "đất sét ma thuật" hoặc "tricolin". Chúng tôi nhào một miếng plasticine có hình dạng tương tự như một quả tạ, dài khoảng 4 cm và có đường kính của các phần dày hơn trong vòng 1-2 cm và đường kính thu hẹp khoảng 5 mm (Hình 3a). Chúng tôi dùng ngón tay nắm lấy khuôn bằng đầu trên của phần dày hơn và giữ nó bất động hoặc treo nó theo chiều dọc bên cạnh điểm đánh dấu đã lắp cho biết vị trí của đầu dưới của phần dày hơn.

Quan sát vị trí của đầu dưới của plasticine, chúng tôi nhận thấy rằng nó đang từ từ di chuyển xuống. Trong trường hợp này, phần giữa của plasticine bị nén. Quá trình này được gọi là quá trình chảy hoặc chảy của vật liệu và bao gồm việc tăng độ giãn dài của nó dưới tác dụng của ứng suất không đổi. Trong trường hợp của chúng ta, ứng suất này là do trọng lượng của phần dưới của quả tạ plasticine gây ra (Hình 3b). Từ quan điểm vi mô hiện tại đây là kết quả của sự thay đổi cấu trúc của vật liệu chịu tải trong một thời gian đủ dài. Tại một thời điểm, độ bền của phần bị thu hẹp nhỏ đến mức nó bị vỡ dưới trọng lượng của phần dưới của plasticine. Tốc độ dòng chảy phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm loại vật liệu, số lượng và phương pháp tác dụng ứng suất lên nó.

Chất dẻo mà chúng ta sử dụng cực kỳ nhạy cảm với dòng chảy, và chúng ta có thể nhìn thấy nó bằng mắt thường chỉ trong vài chục giây. Cần nói thêm rằng đất sét ma thuật được phát minh một cách tình cờ tại Hoa Kỳ, trong Thế chiến thứ hai, khi nỗ lực sản xuất một loại vật liệu tổng hợp phù hợp để sản xuất lốp xe quân sự. Kết quả của quá trình trùng hợp không hoàn toàn, người ta thu được một vật liệu trong đó một số phân tử nhất định không liên kết, và liên kết giữa các phân tử khác có thể dễ dàng thay đổi vị trí của chúng dưới tác động của các yếu tố bên ngoài. Các liên kết "nảy" này góp phần tạo nên các đặc tính tuyệt vời của đất sét nảy.

quả bóng đi lạc

Cơm. 4. Bộ để thử nghiệm plasticine cho sự lan tỏa và thư giãn căng thẳng:

a) tình huống ban đầu, b) tình huống cuối cùng; 1 - quả bóng thép,

2 - bình trong suốt, 3 - plasticine, 4 - đế

Bây giờ, ép plasticine ma thuật vào một bình nhỏ trong suốt, mở ở trên cùng, đảm bảo rằng không có bọt khí trong đó (Hình 4a). Chiều cao và đường kính của bình phải là vài cm. Đặt một quả bóng thép có đường kính khoảng 1,5 cm vào chính giữa bề mặt trên của ống nhựa, chúng ta để yên một chiếc bình có quả bóng. Cứ sau vài giờ chúng ta lại quan sát vị trí của quả bóng. Lưu ý rằng nó đi sâu hơn và sâu hơn vào plasticine, đến lượt nó, đi vào không gian phía trên bề mặt của quả bóng.

Sau một thời gian đủ dài, tùy thuộc vào: trọng lượng của quả bóng, loại nhựa dẻo được sử dụng, kích thước của quả bóng và chảo, nhiệt độ môi trường, chúng ta nhận thấy rằng quả bóng chạm đến đáy chảo. Khoảng trống phía trên quả bóng sẽ được lấp đầy hoàn toàn bằng plasticine (Hình 4b). Thí nghiệm này cho thấy rằng vật liệu chảy và giảm bớt căng thẳng.

Nhảy nhựa

Tạo thành một quả bóng bột nặn ma thuật và nhanh chóng ném nó lên bề mặt cứng như sàn nhà hoặc tường. Chúng tôi ngạc nhiên nhận thấy rằng chất dẻo bật ra khỏi các bề mặt này giống như một quả bóng cao su nảy. Đất sét ma thuật là một cơ thể có thể thể hiện cả tính chất dẻo và đàn hồi. Nó phụ thuộc vào tốc độ tải sẽ tác động lên nó.

Khi ứng suất được đặt từ từ, như trong trường hợp nhào trộn, nó thể hiện tính chất dẻo. Mặt khác, với tác dụng nhanh của lực, xảy ra khi va chạm với sàn hoặc tường, plasticine thể hiện đặc tính đàn hồi. Đất sét ma thuật có thể được gọi ngắn gọn là một vật thể đàn hồi dẻo.

Kéo dẻo

Ảnh 2. Hiệu ứng kéo giãn chậm của đất sét ma thuật (chiều dài của sợi kéo giãn khoảng 60 cm)

Lần này, tạo thành một hình trụ bằng plasticine ma thuật có đường kính khoảng 1 cm và dài vài cm. Lấy cả hai đầu bằng các ngón tay của bàn tay phải và trái của bạn và đặt con lăn theo chiều ngang. Sau đó, chúng ta từ từ dang hai tay sang hai bên theo một đường thẳng, từ đó làm cho khối trụ căng ra theo hướng trục. Chúng tôi cảm thấy rằng plasticine hầu như không có lực cản và chúng tôi nhận thấy rằng nó thu hẹp lại ở giữa.

Chiều dài của hình trụ plasticine có thể tăng lên vài chục cm, cho đến khi hình thành một sợi mỏng ở phần trung tâm của nó, sợi này sẽ đứt theo thời gian (ảnh 2). Kinh nghiệm này cho thấy rằng bằng cách từ từ tác dụng ứng suất lên một vật thể đàn hồi dẻo, người ta có thể gây ra một biến dạng rất lớn mà không phá hủy nó.

nhựa cứng

Chúng tôi chuẩn bị hình trụ bằng plasticine ma thuật theo cách giống như trong thí nghiệm trước và quấn các ngón tay của chúng tôi quanh các đầu của nó theo cách tương tự. Sau khi tập trung sự chú ý, chúng tôi dang tay sang hai bên càng nhanh càng tốt, muốn kéo căng mạnh hình trụ. Hóa ra trong trường hợp này, chúng ta cảm thấy một lực cản rất cao của plasticine, và đáng ngạc nhiên là hình trụ không hề dài ra mà bị gãy làm đôi chiều dài, như thể bị cắt bằng dao (ảnh 3). Thí nghiệm này cũng chỉ ra rằng bản chất của sự biến dạng của một vật thể đàn hồi dẻo phụ thuộc vào tốc độ ứng suất.

Plasticine dễ vỡ như thủy tinh

Ảnh 3. Kết quả của sự kéo dài nhanh chóng của plasticine ma thuật - bạn có thể thấy độ giãn dài ít hơn nhiều lần và cạnh sắc, giống như vết nứt trên vật liệu dễ vỡ

Thí nghiệm này thậm chí còn cho thấy rõ ràng hơn tốc độ ảnh hưởng của ứng suất đến các đặc tính của vật thể đàn hồi như thế nào. Tạo thành một quả bóng có đường kính khoảng 1,5 cm từ đất sét ma thuật và đặt nó trên một đế lớn, vững chắc, chẳng hạn như một tấm thép nặng, một cái đe hoặc sàn bê tông. Dùng búa đập từ từ vào quả bóng có khối lượng ít nhất 0,5 kg (Hình 5a). Nó chỉ ra rằng trong tình huống này, quả bóng hoạt động giống như một cơ thể bằng nhựa và phẳng ra sau khi một cái búa rơi vào nó (Hình 5b).

Nắn plasticine dẹt thành một quả bóng một lần nữa và đặt nó trên đĩa như trước. Một lần nữa, chúng tôi đánh bóng bằng búa, nhưng lần này chúng tôi cố gắng thực hiện càng nhanh càng tốt (Hình 5c). Hóa ra quả cầu plasticine trong trường hợp này hoạt động như thể nó được làm bằng một vật liệu dễ vỡ, chẳng hạn như thủy tinh hoặc sứ, và khi va chạm, nó sẽ vỡ thành nhiều mảnh theo mọi hướng (Hình 5d).

Máy nhiệt trên dây cao su dược phẩm

Ứng suất trong vật liệu lưu biến có thể được giảm bớt bằng cách tăng nhiệt độ của chúng. Chúng ta sẽ sử dụng hiệu ứng này trong động cơ nhiệt với nguyên lý hoạt động đáng ngạc nhiên. Để lắp ráp nó, bạn sẽ cần: một cái nắp vặn bằng thiếc, một chục sợi dây chun ngắn, một cây kim lớn, một miếng kim loại mỏng hình chữ nhật và một chiếc đèn có bóng đèn rất nóng. Thiết kế của động cơ được thể hiện trong Hình 6. Để lắp ráp nó, hãy cắt phần giữa ra khỏi nắp để thu được một vòng.

Cơm. 5. Phương pháp chứng minh tính dẻo và tính chất giòn của plasticine

a) đánh bóng chậm b) đánh chậm

c) một cú đánh nhanh vào bóng, d) tác dụng của một cú đánh nhanh;

1 - bóng plasticine, 2 - tấm cứng và lớn, 3 - búa,

v - tốc độ búa

Ở trung tâm của chiếc nhẫn này, chúng tôi đặt một chiếc kim, đó là trục, và đặt các sợi dây đàn hồi vào nó sao cho ở giữa chiều dài của nó, chúng tựa vào chiếc nhẫn và bị kéo căng mạnh. Các dây đàn hồi phải được đặt đối xứng trên vòng, như vậy sẽ thu được một bánh xe có các nan hình thành từ các dây đàn hồi. Uốn một miếng kim loại tấm thành hình chữ nhật với các cánh tay duỗi thẳng, cho phép bạn đặt hình tròn đã tạo trước đó vào giữa chúng và che một nửa bề mặt của nó. Ở một bên của công xôn, ở cả hai mép thẳng đứng của nó, chúng tôi tạo một đường cắt cho phép chúng tôi đặt trục bánh xe vào đó.

Đặt trục bánh xe vào phần cắt của giá đỡ. Chúng tôi xoay bánh xe bằng các ngón tay và kiểm tra xem nó có cân bằng không, tức là nó dừng lại ở vị trí nào. Nếu không đúng như vậy, hãy cân bằng bánh xe bằng cách hơi dịch chuyển nơi các dây cao su gặp vòng. Đặt giá đỡ lên bàn và chiếu sáng phần hình tròn nhô ra khỏi vòm của nó bằng đèn rất nóng. Nó chỉ ra rằng sau một thời gian bánh xe bắt đầu quay.

Lý do cho sự chuyển động này là sự thay đổi liên tục vị trí của khối tâm của bánh xe do một hiệu ứng được gọi là các nhà lưu biến học. thư giãn căng thẳng nhiệt.

Sự thư giãn này dựa trên thực tế là một vật liệu đàn hồi có ứng suất cao co lại khi bị nung nóng. Trong động cơ của chúng tôi, vật liệu này là các dải cao su phía bánh xe nhô ra khỏi khung giá đỡ và được đốt nóng bằng bóng đèn. Kết quả là, trọng tâm của bánh xe bị dịch chuyển sang một bên được che bởi các tay đỡ. Do chuyển động quay của bánh xe, các dây cao su bị nung nóng rơi vào giữa các vai của giá đỡ và nguội đi, do đó chúng bị ẩn khỏi bóng đèn. Các cục tẩy được làm mát sẽ kéo dài trở lại. Trình tự của các quá trình được mô tả đảm bảo chuyển động quay liên tục của bánh xe.

Không chỉ những thí nghiệm ngoạn mục

Cơm. 6. Thiết kế của một động cơ nhiệt làm bằng dây cao su dược phẩm

a) mặt bên

b) mặt cắt bởi mặt phẳng trục; 1 - nhẫn, 2 - kim, 3 - cục tẩy dược phẩm,

4 - giá đỡ, 5 - phần cắt trong giá đỡ, 6 - bóng đèn

Bây giờ lưu biến học là một lĩnh vực đang phát triển nhanh chóng được cả các nhà vật lý và các chuyên gia trong lĩnh vực khoa học kỹ thuật quan tâm. Các hiện tượng lưu biến trong một số trường hợp có thể có ảnh hưởng xấu đến môi trường mà chúng xảy ra và phải được tính đến, ví dụ, khi thiết kế các kết cấu thép lớn bị biến dạng theo thời gian. Chúng là kết quả của sự lan rộng của vật liệu dưới tác dụng của tải trọng và trọng lượng của chính nó.

Các phép đo chính xác về độ dày của các tấm đồng phủ trên mái dốc và cửa sổ kính màu trong các nhà thờ lịch sử đã chỉ ra rằng các yếu tố này ở phía dưới dày hơn ở phía trên. Đây là kết quả hiện tạicả đồng và thủy tinh dưới trọng lượng của chính chúng trong vài trăm năm. Hiện tượng lưu biến còn được ứng dụng trong nhiều công nghệ chế tạo hiện đại và tiết kiệm. Một ví dụ là tái chế nhựa. Hầu hết các sản phẩm làm từ các vật liệu này hiện được sản xuất bằng phương pháp ép đùn, kéo và thổi. Điều này được thực hiện sau khi làm nóng vật liệu và tạo áp lực lên vật liệu với tốc độ đã chọn thích hợp. Vì vậy, trong số những thứ khác, lá, thanh, ống, sợi, cũng như đồ chơi và các bộ phận máy có hình dạng phức tạp. Ưu điểm rất quan trọng của các phương pháp này là chi phí thấp và không lãng phí.