Ketika Hukum Hooke tidak lagi cukup...

Menurut hukum Hooke yang diketahui dari buku pelajaran sekolah, perpanjangan suatu benda harus berbanding lurus dengan tegangan yang diberikan. Namun, banyak bahan yang sangat penting dalam teknologi modern dan kehidupan sehari-hari hanya kira-kira mematuhi hukum ini atau berperilaku sama sekali berbeda. Fisikawan dan insinyur mengatakan bahwa bahan tersebut memiliki sifat reologi. Studi tentang sifat-sifat ini akan menjadi subjek dari beberapa eksperimen yang menarik.

Rheologi adalah studi tentang sifat-sifat bahan yang perilakunya melampaui teori elastisitas berdasarkan hukum Hooke yang disebutkan di atas. Perilaku ini dikaitkan dengan banyak fenomena menarik. Ini termasuk, khususnya: keterlambatan pengembalian material ke keadaan semula setelah jatuh tegangan, yaitu histeresis elastis; peningkatan pemanjangan tubuh pada tekanan konstan, atau disebut aliran; atau beberapa peningkatan dalam ketahanan terhadap deformasi dan kekerasan dari tubuh yang awalnya plastis, hingga munculnya sifat-sifat karakteristik bahan rapuh.

penguasa malas

Salah satu ujung penggaris plastik dengan panjang 30 cm atau lebih dipasang pada rahang ragum sehingga penggaris vertikal (Gbr. 1). Kami menolak ujung atas penggaris dari vertikal hanya beberapa milimeter dan melepaskannya. Perhatikan bahwa bagian bebas dari penggaris berosilasi beberapa kali di sekitar posisi keseimbangan vertikal dan kembali ke keadaan semula (Gbr. 1a). Osilasi yang diamati adalah harmonik, karena pada defleksi kecil, besarnya gaya elastis yang bertindak sebagai gaya pemandu berbanding lurus dengan defleksi ujung penggaris. Perilaku penggaris ini dijelaskan oleh teori elastisitas. 

Beras. 1. Studi histeresis elastis menggunakan penggaris

1 - ambulans,

2 - rahang catok, A - penyimpangan ujung penggaris dari vertikal

Di bagian kedua percobaan, kami membelokkan ujung atas penggaris beberapa sentimeter, melepaskannya, dan mengamati perilakunya (Gbr. 1b). Sekarang ujung ini perlahan-lahan kembali ke posisi keseimbangan. Hal ini disebabkan oleh kelebihan batas elastis bahan penggaris. Efek ini disebut histeresis elastis. Ini terdiri dari kembalinya tubuh yang cacat secara perlahan ke keadaan semula. Jika kita mengulangi percobaan terakhir ini dengan lebih memiringkan ujung atas penggaris, kita akan menemukan bahwa pengembaliannya juga akan lebih lambat dan mungkin memerlukan waktu hingga beberapa menit. Selain itu, penggaris tidak akan kembali persis ke posisi vertikal dan akan tetap bengkok secara permanen. Efek yang dijelaskan di bagian kedua percobaan hanyalah salah satu dari subjek penelitian reologi.

Kembalinya burung atau laba-laba

Untuk pengalaman selanjutnya, kami akan menggunakan mainan yang murah dan mudah dibeli (bahkan terkadang tersedia di kios). Ini terdiri dari patung datar berbentuk burung atau hewan lain, seperti laba-laba, dihubungkan oleh tali panjang dengan pegangan berbentuk cincin (Gbr. 2a). Seluruh mainan terbuat dari bahan seperti karet yang tahan banting dan sedikit lengket saat disentuh. Pita itu dapat diregangkan dengan sangat mudah, menambah panjangnya beberapa kali tanpa merobeknya. Kami melakukan percobaan di dekat permukaan yang halus, seperti kaca cermin atau dinding furnitur. Dengan jari-jari satu tangan, pegang pegangannya dan buat gelombang, sehingga melemparkan mainan ke permukaan yang halus. Anda akan melihat bahwa patung itu menempel ke permukaan dan selotipnya tetap kencang. Kami terus memegang pegangan dengan jari kami selama beberapa puluh detik atau lebih.

Beras. 2. Contoh nyata dari histeresis elastik, ditunjukkan dengan menggunakan salib balik

1 - patung laba-laba, 2 - karet gelang,

3 - pegangan, 4 - telapak tangan, 5 - permukaan

Setelah beberapa waktu, kami melihat bahwa patung itu akan tiba-tiba muncul dari permukaan dan, tertarik oleh pita perekat panas, akan dengan cepat kembali ke tangan kami. Dalam hal ini, seperti pada percobaan sebelumnya, ada juga penurunan tegangan yang lambat, yaitu histeresis elastis. Kekuatan elastis dari pita yang diregangkan mengatasi kekuatan adhesi pola ke permukaan, yang melemah seiring waktu. Akibatnya, sosok itu kembali ke tangan. Bahan mainan yang digunakan dalam percobaan ini disebut oleh rheologists viskoelastik. Nama ini dibenarkan oleh fakta bahwa ia menunjukkan sifat lengket - ketika menempel pada permukaan yang halus, dan sifat elastis - karena itu ia melepaskan diri dari permukaan ini dan kembali ke keadaan semula.

pria yang turun

Foto 1. Patung yang menuruni dinding vertikal juga merupakan contoh histeresis elastis yang bagus.

Eksperimen ini juga akan menggunakan mainan yang tersedia yang terbuat dari bahan viskoelastik (foto 1). Itu dibuat dalam bentuk sosok manusia atau laba-laba. Kami melempar mainan ini dengan anggota badan yang dikerahkan dan terbalik pada permukaan vertikal yang datar, sebaiknya di atas kaca, cermin, atau dinding furnitur. Benda yang dilempar akan menempel pada permukaan ini. Setelah beberapa waktu, yang durasinya tergantung, antara lain, pada kekasaran permukaan dan kecepatan lempar, bagian atas mainan terlepas. Hal ini terjadi sebagai akibat dari apa yang telah dibahas sebelumnya. histeresis elastis dan aksi berat gambar, yang menggantikan gaya elastis sabuk, yang ada pada percobaan sebelumnya.

Di bawah pengaruh berat, bagian mainan yang terlepas menekuk ke bawah dan pecah lebih jauh sampai bagian itu menyentuh permukaan vertikal lagi. Setelah sentuhan ini, perekatan gambar berikutnya ke permukaan dimulai. Akibatnya, sosok itu akan direkatkan lagi, tetapi dalam posisi kepala di bawah. Proses yang dijelaskan di bawah ini diulangi, dengan sosok-sosok itu secara bergantian merobek kaki dan kemudian kepala. Efeknya adalah sosok itu turun di sepanjang permukaan vertikal, membuat lompatan yang spektakuler.

plastisin cair

Beras. 3. Uji aliran plastisin

a) situasi awal, b) situasi akhir;

1 - telapak tangan, 2 - bagian atas plastisin,

3 - indikator, 4 - penyempitan, 5 - sobekan plastisin

Dalam eksperimen ini dan beberapa eksperimen berikutnya, kami akan menggunakan plastisin yang tersedia di toko mainan, yang dikenal sebagai "tanah liat ajaib" atau "tricolin". Kami menguleni sepotong plastisin dalam bentuk yang mirip dengan halter, panjangnya sekitar 4 cm dan dengan diameter bagian yang lebih tebal dalam 1-2 cm dan diameter penyempitan sekitar 5 mm (Gbr. 3a). Kami mengambil cetakan dengan jari-jari kami di ujung atas bagian yang lebih tebal dan menahannya agar tidak bergerak atau menggantungnya secara vertikal di sebelah penanda yang dipasang yang menunjukkan lokasi ujung bawah bagian yang lebih tebal.

Mengamati posisi ujung bawah plastisin, kami mencatat bahwa perlahan-lahan bergerak ke bawah. Dalam hal ini, bagian tengah plastisin dikompresi. Proses ini disebut aliran atau mulur material dan terdiri dari peningkatan perpanjangannya di bawah aksi tegangan konstan. Dalam kasus kami, tekanan ini disebabkan oleh berat bagian bawah dumbbell plastisin (Gbr. 3b). Dari sudut pandang mikroskopis arus hal ini merupakan akibat dari perubahan struktur material yang dikenai beban dalam waktu yang cukup lama. Pada satu titik, kekuatan bagian yang menyempit sangat kecil sehingga patah di bawah berat bagian bawah plastisin saja. Laju aliran tergantung pada banyak faktor, termasuk jenis material, jumlah dan metode pemberian tegangan padanya.

Plastisin yang kami gunakan sangat sensitif terhadap aliran, dan kami dapat melihatnya dengan mata telanjang hanya dalam beberapa puluh detik. Perlu ditambahkan bahwa tanah liat ajaib ditemukan secara tidak sengaja di Amerika Serikat, selama Perang Dunia II, ketika upaya dilakukan untuk menghasilkan bahan sintetis yang cocok untuk produksi ban untuk kendaraan militer. Sebagai hasil dari polimerisasi yang tidak lengkap, suatu bahan diperoleh di mana sejumlah molekul tertentu tidak terikat, dan ikatan antara molekul lain dapat dengan mudah mengubah posisinya di bawah pengaruh faktor eksternal. Tautan "memantul" ini berkontribusi pada sifat menakjubkan dari tanah liat yang memantul.

bola liar

Beras. 4. Ditetapkan untuk menguji plastisin untuk penyebaran dan relaksasi stres:

a) situasi awal, b) situasi akhir; 1 - bola baja,

2 - bejana transparan, 3 - plastisin, 4 - alas

Sekarang peras plastisin ajaib ke dalam wadah transparan kecil, buka di bagian atas, pastikan tidak ada gelembung udara di dalamnya (Gbr. 4a). Tinggi dan diameter kapal harus beberapa sentimeter. Tempatkan bola baja berdiameter sekitar 1,5 cm di tengah permukaan atas plastisin.Kami meninggalkan kapal dengan bola saja. Setiap beberapa jam kami mengamati posisi bola. Perhatikan bahwa itu masuk lebih dalam dan lebih dalam ke plastisin, yang, pada gilirannya, masuk ke ruang di atas permukaan bola.

Setelah waktu yang cukup lama, yang tergantung pada: berat bola, jenis plastisin yang digunakan, ukuran bola dan panci, suhu lingkungan, kami melihat bahwa bola mencapai dasar panci. Ruang di atas bola akan terisi penuh dengan plastisin (Gbr. 4b). Percobaan ini menunjukkan bahwa material mengalir dan menghilangkan stres.

Melompat plastisin

Bentuk bola mainan ajaib dan lemparkan dengan cepat ke permukaan yang keras seperti lantai atau dinding. Kami terkejut melihat bahwa plastisin memantul dari permukaan ini seperti bola karet yang melenting. Tanah liat ajaib adalah benda yang dapat menunjukkan sifat plastis dan elastis. Itu tergantung pada seberapa cepat beban akan bekerja padanya.

Ketika tegangan diterapkan secara perlahan, seperti dalam kasus pengadukan, ini menunjukkan sifat plastis. Di sisi lain, ketika gaya diterapkan dengan cepat, yang terjadi ketika bertabrakan dengan lantai atau dinding, plastisin menunjukkan sifat elastis. Tanah liat ajaib dapat secara singkat disebut tubuh plastik-elastis.

plastisin tarik

Foto 2. Efek peregangan lambat dari tanah liat ajaib (panjang serat yang diregangkan sekitar 60 cm)

Kali ini, bentuk silinder plastisin ajaib dengan diameter sekitar 1 cm dan panjang beberapa sentimeter. Ambil kedua ujungnya dengan jari tangan kanan dan kiri Anda dan atur roller secara horizontal. Kemudian kami perlahan-lahan merentangkan tangan kami ke samping dalam satu garis lurus, sehingga menyebabkan silinder meregang ke arah aksial. Kami merasa bahwa plastisin hampir tidak memberikan perlawanan, dan kami melihat bahwa itu menyempit di tengah.

Panjang silinder plastisin dapat ditingkatkan menjadi beberapa puluh sentimeter, sampai terbentuk benang tipis di bagian tengahnya, yang akan putus seiring waktu (foto 2). Pengalaman ini menunjukkan bahwa dengan menerapkan tegangan secara perlahan pada benda plastis-elastis, seseorang dapat menyebabkan deformasi yang sangat besar tanpa merusaknya.

plastisin keras

Kami menyiapkan silinder plastisin ajaib dengan cara yang sama seperti pada percobaan sebelumnya dan membungkus jari-jari kami di sekitar ujungnya dengan cara yang sama. Setelah memusatkan perhatian kami, kami merentangkan tangan kami ke samping secepat mungkin, ingin meregangkan silinder dengan tajam. Ternyata dalam hal ini kami merasakan resistensi plastisin yang sangat tinggi, dan silinder, secara mengejutkan, tidak memanjang sama sekali, tetapi patah menjadi setengah panjangnya, seolah-olah dipotong dengan pisau (foto 3). Eksperimen ini juga menunjukkan bahwa sifat deformasi benda plastis-elastis bergantung pada laju aplikasi tegangan.

Plastisin rapuh seperti kaca

Foto 3. Hasil peregangan cepat dari plastisin ajaib - Anda dapat melihat pemanjangan berkali-kali lebih sedikit dan ujung yang tajam, menyerupai retakan pada bahan yang rapuh

Eksperimen ini menunjukkan dengan lebih jelas bagaimana tingkat tegangan mempengaruhi sifat-sifat benda plastis-elastis. Bentuk bola dengan diameter sekitar 1,5 cm dari tanah liat ajaib dan letakkan di atas dasar yang kokoh dan masif, seperti pelat baja berat, landasan, atau lantai beton. Pukul bola secara perlahan dengan palu dengan berat minimal 0,5 kg (Gbr. 5a). Ternyata dalam situasi ini bola berperilaku seperti benda plastik dan menjadi datar setelah palu jatuh di atasnya (Gbr. 5b).

Bentuk plastisin pipih menjadi bola lagi dan letakkan di piring seperti sebelumnya. Sekali lagi kami memukul bola dengan palu, tetapi kali ini kami mencoba melakukannya secepat mungkin (Gbr. 5c). Ternyata bola plastisin dalam hal ini berperilaku seolah-olah terbuat dari bahan yang rapuh, seperti kaca atau porselen, dan pada benturan itu pecah berkeping-keping ke segala arah (Gbr. 5d).

Mesin termal pada karet gelang farmasi

Stres pada bahan reologi dapat dikurangi dengan menaikkan suhunya. Kami akan menggunakan efek ini dalam mesin panas dengan prinsip operasi yang mengejutkan. Untuk merakitnya, Anda memerlukan: tutup ulir kaleng, selusin karet gelang pendek, jarum besar, sepotong lembaran logam tipis persegi panjang, dan lampu dengan bohlam yang sangat panas. Desain motor ditunjukkan pada Gambar. 6. Untuk merakitnya, potong bagian tengah dari penutup sehingga diperoleh cincin.

Beras. 5. Metode untuk mendemonstrasikan sifat plastisin dan getas dari plastisin

a) memukul bola dengan lambat b) memukul dengan lambat

c) pukulan cepat pada bola, d) efek pukulan cepat;

1 - bola plastisin, 2 - piring padat dan masif, 3 - palu,

v - kecepatan palu

Di tengah cincin ini kami meletakkan jarum, yang merupakan sumbu, dan meletakkan karet gelang di atasnya sehingga di tengah panjangnya mereka bersandar pada cincin dan diregangkan dengan kuat. Pita elastis harus ditempatkan secara simetris pada cincin, sehingga diperoleh roda dengan jari-jari yang dibentuk dari pita elastis. Tekuk sepotong lembaran logam menjadi bentuk crampon dengan lengan terentang, memungkinkan Anda untuk menempatkan lingkaran yang dibuat sebelumnya di antara mereka dan menutupi setengah dari permukaannya. Di satu sisi kantilever, di kedua tepi vertikalnya, kami membuat potongan yang memungkinkan kami menempatkan poros roda di dalamnya.

Tempatkan poros roda pada potongan penyangga. Kami memutar roda dengan jari-jari kami dan memeriksa apakah itu seimbang, mis. apakah itu berhenti di posisi apa pun. Jika tidak demikian, seimbangkan roda dengan sedikit menggeser tempat karet gelang bertemu dengan ring. Letakkan braket di atas meja dan nyalakan bagian lingkaran yang menonjol dari lengkungannya dengan lampu yang sangat panas. Ternyata setelah beberapa saat roda mulai berputar.

Alasan gerakan ini adalah perubahan konstan pada posisi pusat massa roda sebagai akibat dari efek yang disebut rheolog. relaksasi stres termal.

Relaksasi ini didasarkan pada fakta bahwa bahan elastis yang sangat tertekan berkontraksi ketika dipanaskan. Di mesin kami, bahan ini adalah karet gelang sisi roda yang menonjol dari braket braket dan dipanaskan oleh bola lampu. Akibatnya, pusat massa roda digeser ke sisi yang ditutupi oleh lengan penyangga. Sebagai hasil dari rotasi roda, karet gelang yang dipanaskan jatuh di antara bahu penyangga dan menjadi dingin, karena di sana mereka disembunyikan dari bohlam. Penghapus yang didinginkan memanjang lagi. Urutan proses yang dijelaskan memastikan rotasi roda yang berkelanjutan.

Tidak hanya eksperimen spektakuler

Beras. 6. Desain mesin panas yang terbuat dari karet gelang farmasi

a) tampak samping

b) bagian dengan bidang aksial; 1 - cincin, 2 - jarum, 3 - penghapus farmasi,

4 - braket, 5 - potongan di braket, 6 - bola lampu

Sekarang kajian perubahan bentuk adalah bidang minat yang berkembang pesat bagi fisikawan dan spesialis di bidang ilmu teknis. Fenomena reologi dalam beberapa situasi dapat berdampak buruk pada lingkungan di mana fenomena tersebut terjadi dan harus diperhitungkan, misalnya, ketika merancang struktur baja besar yang berubah bentuk dari waktu ke waktu. Mereka hasil dari penyebaran material di bawah aksi beban kerja dan beratnya sendiri.

Pengukuran yang akurat dari ketebalan lembaran tembaga yang menutupi atap curam dan jendela kaca patri di gereja-gereja bersejarah telah menunjukkan bahwa elemen-elemen ini lebih tebal di bagian bawah daripada di bagian atas. Ini hasilnya arusbaik tembaga dan kaca di bawah beratnya sendiri selama beberapa ratus tahun. Fenomena reologi juga digunakan dalam banyak teknologi manufaktur modern dan ekonomis. Contohnya adalah daur ulang plastik. Sebagian besar produk yang terbuat dari bahan-bahan ini saat ini diproduksi dengan ekstrusi, menggambar dan blow moulding. Ini dilakukan setelah memanaskan material dan menerapkan tekanan pada tingkat yang dipilih dengan tepat. Jadi, antara lain, foil, batang, pipa, serat, serta mainan dan bagian mesin dengan bentuk yang kompleks. Keuntungan yang sangat penting dari metode ini adalah biaya rendah dan non-limbah.