フックの法則ではもう十分ではないとき...
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学校の教科書で知られるフックの法則によれば、物体の伸びは加えられた応力に正比例するはずです。 しかし、現代の技術や日常生活において非常に重要な多くの材料は、この法則をほぼ満たしているか、まったく異なる動作をするだけです。 物理学者や技術者は、そのような材料にはレオロジー特性があると述べています。 これらの特性の研究は、いくつかの興味深い実験の対象となるでしょう。
レオロジーは、前述のフックの法則に基づく弾性理論を超えた挙動を示す材料の特性を研究するものです。 この動作は、多くの興味深い現象に関連しています。 これらには、特に、応力の減少後に材料が元の状態に戻るまでの遅延、つまり弾性ヒステリシスが含まれます。 一定のストレス下での体の伸びの増加、別名フローと呼ばれます。 または、脆性材料に特徴的な特性が現れるまで、最初はプラスチックだった本体の変形に対する抵抗と硬度が倍増します。
怠惰な支配者
長さ30cm以上のプラスチック定規の一端を万力のジョーに固定し、定規が垂直になるようにします（図1）。 定規の上端を垂直からわずか数ミリメートル偏向させて放します。 定規の自由部分は垂直平衡位置を中心に数回振動し、元の状態に戻ることに注意してください (図 1a)。 小さなたわみでは、ガイド力として作用する弾性力の大きさが定規の端のたわみに正比例するため、観察された振動は調和的です。 定規のこの動作は弾性理論によって説明されます。
米。 1. 定規を使った弾性ヒステリシスの検討
1 - 救急車、
2 - 万力の顎、A - 定規の端の垂直方向からのずれ
実験の 1 番目の部分では、定規の上端を数センチメートル偏向させ、定規を放してその動作を観察します (図 XNUMXb)。 ここで、この端はゆっくりと平衡位置に戻ります。 これは、定規の素材の弾性限界を超えているためです。 言及された効果はと呼ばれます 弾性ヒステリシス。 それは、変形した体を元の状態にゆっくりと戻すことにあります。 定規の上端をさらに傾けてこの最後の実験を繰り返すと、定規の戻りも遅くなり、最大で数分かかる場合があることがわかります。 さらに、定規は正確に垂直位置に戻らず、永久に曲がったままになります。 実験の後半で説明した効果はほんの XNUMX つです。 レオロジー研究テーマ.
帰ってきた鳥や蜘蛛
次の実験では、安くて簡単に購入できる (場合によってはキオスクでも入手できる) おもちゃを使用します。 これは、リング状のハンドルに長いストラップで接続された、鳥やクモなどの他の動物の形をした平らな置物で構成されています (図 2a)。 おもちゃ全体は弾力性があり、少し粘着性のあるゴムのような素材でできています。 テープは非常に簡単に伸ばすことができ、破れることなく長さを数倍に伸ばすことができます。 鏡ガラスや家具の壁などの滑らかな表面の近くで実験を行います。 片手の指でハンドルを握ってスイングし、それによっておもちゃを滑らかな表面に投げます。 フィギュアが表面に貼り付き、テープがピンと張ったままになっていることがわかります。 ハンドルを指で数十秒以上握り続けます。
米。 2. リターンクロスを使用して示す弾性ヒステリシスの顕著な例
1 - クモの置物、2 - 輪ゴム、
3 - ハンドル、4 - 手のひら、5 - 表面
しばらくすると、フィギュアが突然表面から剥がれ、シュリンクテープで引っ張るとすぐに手に戻ってくることに気づきました。 この場合、前の実験と同様に、電圧のゆっくりとした減衰、つまり弾性ヒステリシスも発生します。 張られたテープの弾性力は、時間の経過とともに弱まるパターンの表面への接着力を克服します。 その結果、駒は手元に戻ります。 この実験で使用されたおもちゃの材質はレオロジストによって呼ばれています 粘弾性。 この名前は、滑らかな表面に貼り付くときの粘着性と、表面から剥がれて元の状態に戻る弾性の両方を示すという事実によって正当化されます。
ディセンディングマン
写真 1. 垂直の壁を降りる人形も、弾性ヒステリシスの優れた例です。
この実験でも、簡単に入手できる粘弾性材料のおもちゃを使用します（写真1）。 人間や蜘蛛の置物の形で作られています。 このおもちゃを、手足を伸ばし、頭を上にして平らな垂直面、できればガラス、鏡、家具の壁に投げます。 投げられた物体はこの表面にくっつきます。 しばらくすると、その期間は特に表面の粗さや投げる速度によって決まりますが、おもちゃの上部が外れます。 これは、以前に説明した結果として発生します。 弾性ヒステリシス そして、前の実験で存在したベルトの弾性力を置き換えるフィギュアの重りの作用。
重量の影響で、おもちゃの切り離された部分は下に曲がり、さらに外れ、再び垂直面に接触します。 このタッチの後、次のフィギュアの表面への接着が始まります。 その結果、フィギュアは再び接着されますが、頭を下にした位置になります。 以下に説明するプロセスが繰り返され、フィギュアは交互に足を引きちぎり、次に頭を引きはがします。 その効果は、人物が垂直面に沿って降下し、見事なフリップを実行することです。
流動性粘土
米。 3. 粘土流動性試験
a) 初期状況、b) 最終状況。
1 - 手のひら、2 - 粘土の上部、
3 - インジケーター、4 - くびれ、5 - 引き裂かれた粘土片
この実験とその後のいくつかの実験では、「マジック クレイ」または「トリコリン」として知られる、おもちゃ屋で入手できる粘土を使用します。 長さ約4 cm、厚い部分の直径が1〜2 cm以内、狭くなる部分の直径が約5 mmのダンベルに似た形状の粘土片を練ります（図3a）。 厚い部分の上端を指で金型をつかみ、動かないように保持するか、厚い部分の下端の位置を示す取り付けられたマーカーの隣に垂直に吊り下げます。
粘土の下端の位置を観察すると、粘土がゆっくりと下に移動していることがわかります。 この場合、粘土の中央部分が圧縮されます。 このプロセスは材料の流動またはクリープと呼ばれ、一定の応力の影響下で材料の伸びが増加します。 私たちの場合、この張力は粘土ダンベルの下部の重量によって引き起こされます (図 3b)。 ミクロな視点から見ると 現在 これは、長期間応力にさらされた材料の構造の変化の結果です。 ある時点では、狭くなった部分の強度が非常に低く、粘土の下部だけの重みで壊れてしまいます。 流量は、材料の種類、材料に加える応力の大きさと方法など、多くの要因によって決まります。
私たちが使用する粘土は流れに非常に敏感で、わずか数十秒後には肉眼で確認できます。 マジッククレイは第二次世界大戦中のアメリカで、軍用タイヤの製造に適した合成材料を製造する試みがなされた際に偶然発明されたことを付け加えておきたい。 不完全な重合の結果、特定の数の分子が結合していない材料が得られ、他の分子間の結合は外部要因の影響で容易に位置を変えることができます。 これらの「弾む」結合は、粘土の驚くべき弾む特性に貢献します。
流れ玉
米。 4. 粘土の広がりと応力緩和をテストするためのセット:
a) 初期状態 b) 最終状態1 - 鋼球、
2 - 透明容器、3 - 粘土、4 - ベース
次に、上部が開いている小さな透明な容器に魔法の粘土を絞り、中に気泡がないことを確認します（図4a）。 容器の高さと直径は数センチメートルでなければなりません。 直径約 1,5 cm の鋼球を粘土の上面中央に置き、ボールを入れたまま容器の中に置きます。 数時間ごとにボールの位置を観察します。 粘土の中にどんどん深く入り込み、さらに粘土がボールの表面上の空間に入り込むことに注意してください。
ボールの重さ、使用した粘土の種類、ボールと受け皿のサイズ、周囲の温度によって異なりますが、十分な時間が経過すると、ボールが受け皿の底に到達することに気づきます。 ボールの上の空間は粘土で完全に埋められます (図 4b)。 この実験は、物質が流れ、 ストレスを和らげる.
ジャンプ粘土
魔法の粘土のボールを作り、床や壁などの硬い表面に素早く落とします。 私たちは、粘土が弾性のあるゴムボールのようにこれらの表面で跳ね返ることに気づき、驚きました。 魔法の粘土は、可塑性と弾性の両方の特性を示すことができる物体です。 どれくらいの速さで負荷がかかるかによって決まります。
混練などゆっくりと応力を加えると可塑性を発揮します。 一方、床や壁に衝突するときに急激に力が加わると、粘土は弾性特性を示します。 魔法の粘土は、簡単に言うとプラスチック弾性体と呼ばれます。
引張粘土
写真2 マジック粘土のゆっくり延伸効果（伸長繊維長約60cm）
今度は直径1センチ、長さ数センチの魔法の粘土筒を作ります。 左右の指で両端をつまみ、ローラーを水平に置きます。 次に、腕をゆっくりと一直線に横に広げ、円柱を軸方向に伸ばします。 粘土の抵抗はほとんどなく、中央で先細になっていることがわかります。
粘土シリンダーの長さを数十センチメートルまで伸ばすと、中央部分に細い糸が形成され、時間の経過とともに糸が切れます（写真2）。 この実験は、塑性弾性体にゆっくりと応力を加えることで、破壊することなく非常に大きな変形を引き起こすことができることを示しています。
硬質粘土
前の実験と同じ方法で魔法の粘土シリンダーを準備し、同じ方法でその端に指を巻き付けます。 注意を集中した後、シリンダーを鋭く伸ばしたいと思って、できるだけ早く腕を横に広げました。 この場合、粘土の非常に高い抵抗を感じ、シリンダーは驚くべきことにまったく伸びず、まるでナイフで切られたかのように長さの半分で壊れることがわかりました（写真3）。 この実験は、塑性弾性体の変形の性質が応力の適用率に依存することも示しています。
粘土はガラスと同じくらい壊れやすい
写真3.魔法の粘土を急速に伸ばした結果-伸びが何倍も少なく、壊れやすい材料の亀裂に似た鋭いエッジが見られます
この実験は、応力率が塑性弾性体の特性にどのような影響を与えるかをさらに明確に示しています。 マジッククレイを直径約1,5cmのボール状に成形し、重い鉄板、金床、コンクリートの床などのしっかりした土台の上に置きます。 少なくとも 0,5 kg の重さのハンマーでボールをゆっくりと打ちます (図 5a)。 この状況では、ボールはプラスチックの物体のように動作し、ハンマーがボールに落ちると平らになることがわかります (図 5b)。
平らにした粘土を再びボールの形に成形し、前と同じように皿の上に置きます。 もう一度ハンマーでボールを打ちますが、今回はできるだけ早く打つようにします (図 5c)。 この場合の粘土ボールは、あたかもガラスや磁器などの脆い材料でできているかのように動作し、衝撃を受けると四方八方に粉々に飛散することがわかりました（図5d）。
製薬用ゴムバンドのサーマルマシン
レオロジー材料内の応力は、温度を上昇させることで軽減できます。 この効果を、驚くべき動作原理を備えた熱機関に利用します。 組み立てるには、瓶のブリキ製のネジ蓋、十数本の短い輪ゴム、大きな針、長方形の薄い板金、そして非常に熱い電球の付いたランプが必要です。 モーターの設計を図 6 に示します。組み立てるには、リングが得られるようにカバーの中央部分を切り取ります。
米。 5. 粘土と粘土の壊れやすい性質を実証する方法
a) ボールの打撃が遅い、b) 打撃が遅い、
c) ボールへの素早い打撃、d) 素早い打撃の効果。
1 - 粘土ボール、2 - 頑丈で巨大なプレート、3 - ハンマー、
v - ハンマー速度
このリングの中心に軸となる針を置き、その上にゴムバンドを付けて、その長さの中央でリングに当ててしっかりと伸ばすようにします。 ゴムバンドはリング上に対称的に配置する必要があり、これにより、ゴムバンドで形成されたスポークを備えたホイールが作成されます。 金属板を曲げてアームを伸ばしたブラケットの形にすると、前に作成した円をアームの間に配置して、その表面の半分を覆うことができます。 カンチレバーの片側の垂直端の両方に、ホイール軸を配置できるように切り欠きを作成します。
車軸をサポートの切り欠きに置きます。 ホイールを指で回転させ、バランスが取れているかどうかを確認します。 どこかの位置で止まりますか？ そうでない場合は、輪ゴムとリングが接する部分を少し動かしてホイールのバランスをとります。 ブラケットをテーブルの上に置き、アームから突き出ている円の部分を強力な加熱ランプで照らします。 しばらくすると、ホイールが回転し始めることがわかります。
この動きの理由は、レオロジーと呼ばれる効果の結果としてホイールの重心の位置が絶えず変化することです。 熱応力の緩和.
この緩和は、大きな応力がかかった弾性材料が加熱されると収縮するという事実に基づいています。 私たちのエンジンでは、この材料はブラケットから突き出たホイール側のゴムバンドであり、電球によって加熱されます。 その結果、車輪の重心はサポートアームで覆われた側に移動します。 ホイールの回転の結果、加熱されたゴムバンドはサポートのアームの間に落ち、そこで電球から隠れるため冷却されます。 冷えた消しゴムは再び伸びます。 説明した一連のプロセスにより、ホイールの連続回転が保証されます。
素晴らしい実験だけではありません
米。 6. 医薬品の輪ゴムを使った熱機関の設計
a) 側面図、
b) 軸平面による断面。 1 - リング、2 - 針、3 - 医薬品消しゴム、
4 - ブラケット、5 - ブラケットのカットアウト、6 - 電球
今 レオロジー 物理学者と工学科学者の両方にとって、急速に発展している分野です。 レオロジー現象は状況によっては、それが発生する環境に悪影響を与える可能性があるため、時間の経過とともに変形する大型の鉄鋼構造物の設計などでは考慮する必要があります。 それらは、既存の荷重とその自重の影響下で材料が広がる結果として発生します。
歴史的な教会の急勾配の屋根やステンドグラスの窓を覆う銅板の厚さを正確に測定したところ、これらの要素は上部よりも底部の方が厚いことが判明しました。 これが結果です 現在銅もガラスも自重で数百年間耐えられます。 レオロジー現象は、多くの現代的で経済的な生産技術でも使用されています。 その一例がプラスチックのリサイクルです。 これらの材料から作られる製品のほとんどは現在、押出、延伸、ブロー成形によって製造されています。 これは、材料を加熱し、適切に選択された速度で圧力を加えた後に行われます。 したがって、とりわけ、フォイル、ロッド、パイプ、繊維、さらには複雑な形状の玩具や機械部品などです。 これらの方法の非常に重要な利点は、低コストで無駄がないことです。
