عندما لم يعد قانون هوك كافياً ...

وفقًا لقانون هوك المعروف من الكتب المدرسية ، يجب أن يكون استطالة الجسم متناسبة بشكل مباشر مع الإجهاد المطبق. ومع ذلك ، فإن العديد من المواد التي لها أهمية كبيرة في التكنولوجيا الحديثة والحياة اليومية تتوافق فقط مع هذا القانون أو تتصرف بشكل مختلف تمامًا. يقول الفيزيائيون والمهندسون أن هذه المواد لها خصائص ريولوجية. ستكون دراسة هذه الخصائص موضوع بعض التجارب المثيرة للاهتمام.

علم الريولوجيا هو دراسة خصائص المواد التي يتجاوز سلوكها نظرية المرونة بناءً على قانون هوك المذكور أعلاه. يرتبط هذا السلوك بالعديد من الظواهر المثيرة للاهتمام. وتشمل هذه ، على وجه الخصوص: التأخير في عودة المادة إلى حالتها الأصلية بعد انخفاض الجهد ، أي التباطؤ المرن ؛ زيادة استطالة الجسم عند الإجهاد المستمر ، أو ما يسمى بالتدفق ؛ أو زيادة مقاومة التشوه والصلابة لجسم بلاستيكي مبدئي ، حتى ظهور الخصائص المميزة للمواد الهشة.

حاكم كسول

يتم تثبيت أحد طرفي مسطرة بلاستيكية يبلغ طولها 30 سم أو أكثر في فكي الملزمة بحيث تكون المسطرة رأسية (الشكل 1). نرفض الطرف العلوي للمسطرة من العمودي ببضعة ملليمترات فقط ونطلقها. لاحظ أن الجزء الحر من المسطرة يتأرجح عدة مرات حول موضع التوازن الرأسي ويعود إلى حالته الأصلية (الشكل 1 أ). التذبذبات المرصودة متناسقة ، حيث أنه في الانحرافات الصغيرة يكون حجم القوة المرنة التي تعمل كقوة توجيهية متناسبة طرديًا مع انحراف نهاية المسطرة. وقد وصفت نظرية المرونة سلوك المسطرة هذا. 

أرز. 1. دراسة التخلفية المرنة باستخدام المسطرة

1 - سيارة إسعاف ،

2- فكي الملزمة ، أ- انحراف نهاية المسطرة عن العمودي

في الجزء الثاني من التجربة ، نحرف الطرف العلوي للمسطرة ببضعة سنتيمترات ، ثم نطلقها ، ونراقب سلوكها (الشكل 1 ب). الآن هذه النهاية تعود ببطء إلى وضع التوازن. هذا بسبب زيادة حد المرونة لمادة المسطرة. هذا التأثير يسمى التباطؤ المرن. وهو يتألف من العودة البطيئة للجسم المشوه إلى حالته الأصلية. إذا كررنا هذه التجربة الأخيرة بإمالة الطرف العلوي للمسطرة أكثر ، فسنجد أن رجوعها يكون أبطأ أيضًا وقد يستغرق عدة دقائق. بالإضافة إلى ذلك ، لن تعود المسطرة إلى الوضع الرأسي تمامًا وستظل منحنية بشكل دائم. التأثيرات الموصوفة في الجزء الثاني من التجربة ليست سوى واحدة من موضوعات البحث الريولوجيا.

عودة الطيور أو العنكبوت

للتجربة التالية ، سنستخدم لعبة رخيصة وسهلة الشراء (متوفرة أحيانًا في الأكشاك). يتكون من تمثال مسطح على شكل طائر أو حيوان آخر ، مثل العنكبوت ، متصل بحزام طويل بمقبض على شكل حلقة (الشكل 2 أ). اللعبة بأكملها مصنوعة من مادة مرنة تشبه المطاط ولزجة قليلاً عند اللمس. يمكن شد الشريط بسهولة شديدة ، وزيادة طوله عدة مرات دون تمزيقه. نجري تجربة بالقرب من سطح أملس ، مثل زجاج المرآة أو جدار الأثاث. بأصابع يد واحدة ، أمسك بالمقبض وقم بعمل موجة ، وبالتالي ارمي اللعبة على سطح أملس. ستلاحظ أن التمثال يلتصق بالسطح ويظل الشريط مشدودًا. نستمر في إمساك المقبض بأصابعنا لعدة عشرات من الثواني أو أكثر.

أرز. 2. مثال حي على التباطؤ المرن ، موضح باستخدام تقاطع العودة

1 - تمثال عنكبوت ، 2 - شريط مطاطي ،

3 - مقبض ، 4 - كف ، 5 - سطح

بعد مرور بعض الوقت ، نلاحظ أن التمثال سيخرج فجأة من السطح ، وسيعود سريعًا إلى أيدينا ، عندما ينجذب بواسطة شريط الانكماش الحراري. في هذه الحالة ، كما في التجربة السابقة ، يوجد أيضًا انحلال بطيء للجهد ، أي التباطؤ المرن. تتغلب القوى المرنة للشريط الممدود على قوى التصاق النموذج بالسطح ، والتي تضعف بمرور الوقت. نتيجة لذلك ، يعود الرقم إلى اليد. يطلق علماء الريولوجيا على مادة اللعبة المستخدمة في هذه التجربة لزج مطاطي. يُبرر هذا الاسم بحقيقة أنه يُظهر خصائص لزجة - عندما يلتصق بسطح أملس ، وخصائص مرنة - بسببه ينفصل عن هذا السطح ويعود إلى حالته الأصلية.

الرجل النازل

الصورة 1. التمثال الذي ينزل من جدار عمودي هو أيضًا مثال رائع على التباطؤ المرن.

ستستخدم هذه التجربة أيضًا لعبة متاحة بسهولة مصنوعة من مادة لزجة مرنة (الصورة 1). وهي مصنوعة على شكل رجل أو عنكبوت. نرمي هذه اللعبة بأطراف منتشرة وقلبنا رأسًا على عقب على سطح عمودي مسطح ، ويفضل أن يكون ذلك على زجاج أو مرآة أو جدار أثاث. الجسم المُلقى يلتصق بهذا السطح. بعد مرور بعض الوقت ، تعتمد مدتها ، من بين أمور أخرى ، على خشونة السطح وسرعة الرمي ، ينطلق الجزء العلوي من اللعبة. يحدث هذا نتيجة لما تمت مناقشته سابقًا. التباطؤ المرن وحركة وزن الشكل الذي يحل محل القوة المرنة للحزام والتي كانت موجودة في التجربة السابقة.

تحت تأثير الوزن ، ينحني الجزء المنفصل من اللعبة ويتكسر أكثر حتى يلامس الجزء مرة أخرى السطح العمودي. بعد هذه اللمسة ، يبدأ اللصق التالي للشكل على السطح. نتيجة لذلك ، سيتم لصق الشكل مرة أخرى ، ولكن في وضع الرأس لأسفل. تتكرر العمليات الموضحة أدناه ، حيث تمزق الأشكال بالتناوب الساقين ثم الرأس. التأثير هو أن الشكل ينزل على طول سطح عمودي ، مما يجعله ينقلب بشكل مذهل.

سائل البلاستيسين

أرز. 3. اختبار تدفق البلاستيسين

أ) الوضع الأولي ، ب) الوضع النهائي ؛

1 - النخيل ، 2 - الجزء العلوي من البلاستيسين ،

3 - مؤشر ، 4 - انقباض ، 5 - قطعة ممزقة من البلاستيسين

في هذه التجارب والعديد من التجارب اللاحقة ، سنستخدم البلاستيسين المتاح في متاجر الألعاب ، والمعروف باسم "الطين السحري" أو "التريكولين". نعجن قطعة من البلاستيسين بشكل مشابه للدمبل ، يبلغ طولها حوالي 4 سم ويبلغ قطرها من الأجزاء السميكة 1-2 سم وقطرها الضيق حوالي 5 مم (الشكل 3 أ). نلتقط القالب بأصابعنا من الطرف العلوي للجزء السميك ونمسكه بلا حراك أو نعلقه عموديًا بجوار العلامة المثبتة التي تشير إلى موقع الطرف السفلي للجزء السميك.

عند ملاحظة موضع الطرف السفلي من البلاستيسين ، نلاحظ أنه يتحرك ببطء لأسفل. في هذه الحالة ، يتم ضغط الجزء الأوسط من البلاستيسين. تسمى هذه العملية بتدفق المادة أو زحفها وتتكون من زيادة استطالة تحت تأثير الإجهاد المستمر. في حالتنا ، هذا الضغط ناتج عن وزن الجزء السفلي من الدمبل البلاستيسين (الشكل 3 ب). من وجهة نظر مجهرية تيار هذا هو نتيجة لتغيير في بنية المواد المعرضة لأحمال لفترة طويلة بما فيه الكفاية. في مرحلة ما ، تكون قوة الجزء الضيق صغيرة جدًا بحيث تنكسر تحت ثقل الجزء السفلي من البلاستيسين وحده. يعتمد معدل التدفق على العديد من العوامل ، بما في ذلك نوع المادة وكمية وطريقة تطبيق الضغط عليها.

البلاستيسين الذي نستخدمه حساس للغاية للتدفق ، ويمكننا رؤيته بالعين المجردة في بضع عشرات من الثواني. وتجدر الإشارة إلى أن الطين السحري اخترع بالصدفة في الولايات المتحدة ، خلال الحرب العالمية الثانية ، عندما جرت محاولات لإنتاج مادة تركيبية مناسبة لإنتاج إطارات للمركبات العسكرية. نتيجة البلمرة غير المكتملة ، تم الحصول على مادة يكون فيها عدد معين من الجزيئات غير مرتبط ، ويمكن للروابط بين الجزيئات الأخرى تغيير موضعها بسهولة تحت تأثير العوامل الخارجية. تساهم روابط "الارتداد" هذه في الخصائص المذهلة للطين المرتد.

الكرة الضالة

أرز. 4. مجموعة لاختبار البلاستيسين للانتشار واسترخاء الإجهاد:

أ) الوضع الأولي ، ب) الوضع النهائي ؛ 1 - كرة فولاذية ،

2 - وعاء شفاف ، 3 - بلاستيسين ، 4 - قاعدة

الآن قم بضغط البلاستيسين السحري في وعاء شفاف صغير ، مفتوح من الأعلى ، مع التأكد من عدم وجود فقاعات هواء فيه (الشكل 4 أ). يجب أن يكون ارتفاع وقطر الوعاء عدة سنتيمترات. ضع كرة فولاذية قطرها حوالي 1,5 سم في منتصف السطح العلوي من البلاستيسين ، ونترك الوعاء بالكرة بمفردها. كل بضع ساعات نراقب موقع الكرة. لاحظ أنها تتعمق أكثر فأكثر في البلاستيسين ، والتي بدورها تذهب إلى الفضاء فوق سطح الكرة.

بعد فترة طويلة بما فيه الكفاية ، والتي تعتمد على: وزن الكرة ، ونوع البلاستيسين المستخدم ، وحجم الكرة والوعاء ، ودرجة الحرارة المحيطة ، نلاحظ أن الكرة تصل إلى قاع المقلاة. سيتم ملء الفراغ فوق الكرة بالبلاستيك (الشكل 4 ب). توضح هذه التجربة أن المواد تتدفق و تخفيف التوتر.

القفز البلاستيسين

شكل كرة من عجينة اللعب السحرية وألقِ بها بسرعة على سطح صلب مثل الأرضية أو الحائط. نلاحظ بدهشة أن البلاستيسين يرتد عن هذه الأسطح مثل كرة مطاطية نطاطة. الطين السحري عبارة عن جسم يمكنه عرض خصائص البلاستيك والمرونة. يعتمد ذلك على مدى سرعة تأثير الحمل عليه.

عندما يتم تطبيق الضغوط ببطء ، كما في حالة العجن ، فإنها تظهر خصائص بلاستيكية. من ناحية أخرى ، مع التطبيق السريع للقوة ، والذي يحدث عند الاصطدام بأرضية أو جدار ، يُظهر البلاستيسين خصائص مرنة. يمكن تسمية الطين السحري لفترة وجيزة بجسم بلاستيكي مرن.

الشد البلاستيسين

الصورة 2. تأثير التمدد البطيء للطين السحري (طول الألياف المشدودة حوالي 60 سم)

هذه المرة ، شكل أسطوانة من الطين السحري يبلغ قطرها حوالي 1 سم وطولها بضعة سنتيمترات. خذ كلا الطرفين بأصابع يديك اليمنى واليسرى واضبط الأسطوانة أفقيًا. ثم ننشر أذرعنا ببطء على الجانبين في خط مستقيم واحد ، مما يتسبب في تمدد الأسطوانة في الاتجاه المحوري. نشعر أن البلاستيسين لا يقدم أي مقاومة تقريبًا ، ونلاحظ أنه يضيق في المنتصف.

يمكن زيادة طول أسطوانة البلاستيسين إلى عدة عشرات من السنتيمترات ، حتى يتم تشكيل خيط رفيع في الجزء المركزي منه ، والذي ينكسر بمرور الوقت (الصورة 2). تُظهر هذه التجربة أنه من خلال تطبيق الضغط ببطء على الجسم المرن للبلاستيك ، يمكن للمرء أن يتسبب في تشوه كبير جدًا دون تدميره.

البلاستيسين الصلب

نقوم بإعداد أسطوانة البلاستيسين السحرية بنفس الطريقة كما في التجربة السابقة ونلف أصابعنا حول نهاياتها بنفس الطريقة. بعد أن ركزنا انتباهنا ، نشرنا أذرعنا على الجانبين بأسرع ما يمكن ، راغبين في مد الأسطوانة بشكل حاد. اتضح أننا في هذه الحالة نشعر بمقاومة عالية جدًا من البلاستيسين ، ومن المدهش أن الأسطوانة لا تستطيل على الإطلاق ، ولكنها تتكسر إلى نصف طولها ، كما لو كانت مقطوعة بسكين (الصورة 3). تُظهر هذه التجربة أيضًا أن طبيعة تشوه الجسم المرن البلاستيكي تعتمد على معدل تطبيق الإجهاد.

البلاستيسين هش مثل الزجاج

الصورة 3. نتيجة التمدد السريع للبلاستيك السحري - يمكنك رؤية استطالة أقل عدة مرات وحافة حادة تشبه صدعًا في مادة هشة

تُظهر هذه التجربة بشكل أكثر وضوحًا كيف يؤثر معدل الإجهاد على خصائص الجسم المرن البلاستيكي. كوّن كرة قطرها حوالي 1,5 سم من الطين السحري وضعها على قاعدة صلبة ضخمة ، مثل لوح فولاذي ثقيل أو سندان أو أرضية خرسانية. اضرب الكرة ببطء بمطرقة تزن 0,5 كجم على الأقل (الشكل 5 أ). اتضح في هذه الحالة أن الكرة تتصرف كجسم بلاستيكي وتتسطح بعد سقوط المطرقة عليها (الشكل 5 ب).

شكل البلاستيسين المفلطح إلى كرة مرة أخرى وضعه على اللوحة كما كان من قبل. مرة أخرى قمنا بضرب الكرة بمطرقة ، لكن هذه المرة نحاول القيام بذلك بأسرع ما يمكن (الشكل 5 ج). اتضح أن كرة البلاستيسين في هذه الحالة تتصرف كما لو كانت مصنوعة من مادة هشة ، مثل الزجاج أو البورسلين ، وعند الاصطدام تتكسر إلى قطع في جميع الاتجاهات (الشكل 5 د).

آلة حرارية على الأربطة المطاطية الصيدلانية

يمكن تقليل الضغط في المواد الريولوجية عن طريق رفع درجة حرارتها. سنستخدم هذا التأثير في محرك حراري بمبدأ تشغيل مدهش. لتجميعها ، ستحتاج إلى: غطاء لولبي لوعاء الصفيح ، وعشرات الأشرطة المطاطية القصيرة أو نحو ذلك ، وإبرة كبيرة ، وقطعة مستطيلة من الصفائح المعدنية الرقيقة ، ومصباح به لمبة ساخنة جدًا. يظهر تصميم المحرك في الشكل 6. لتجميعه ، قم بقطع الجزء الأوسط من الغطاء حتى يتم الحصول على حلقة.

أرز. 5. طريقة لإظهار خصائص البلاستيسين والهشة للبلاستيك

أ) الضرب البطيء للكرة ب) الضرب البطيء

ج) ضربة سريعة على الكرة. د) تأثير الضربة السريعة.

1 - كرة من البلاستيسين ، 2 - لوحة صلبة وضخمة ، 3 - مطرقة ،

ت - سرعة المطرقة

في وسط هذه الحلقة نضع إبرة ، وهي المحور ، ونضع عليها أشرطة مطاطية بحيث تستقر في منتصف طولها على الحلقة ويتم شدها بقوة. يجب وضع الأربطة المرنة بشكل متماثل على الحلقة ، وبالتالي ، يتم الحصول على عجلة ذات شرائط مكوَّنة من أشرطة مرنة. ثني قطعة من الصفائح المعدنية في شكل كلاب مع تمديد الذراعين ، مما يسمح لك بوضع الدائرة المصنوعة مسبقًا بينهما وتغطية نصف سطحها. على جانب واحد من الكابولي ، على كل من حافته الرأسية ، نقوم بعمل فتحة تسمح لنا بوضع محور العجلة فيه.

ضع محور العجلة في فتحة الدعم. ندير العجلة بأصابعنا ونتحقق مما إذا كانت متوازنة ، أي. هل يتوقف في أي موقف. إذا لم يكن الأمر كذلك ، فقم بموازنة العجلة عن طريق تغيير المكان قليلاً حيث تلتقي الأربطة المطاطية بالحلقة. ضع الحامل على الطاولة وأضيء جزء الدائرة البارز من أقواسها بمصباح شديد السخونة. اتضح أنه بعد فترة تبدأ العجلة بالدوران.

سبب هذه الحركة هو التغيير المستمر في موضع مركز كتلة العجلة نتيجة لتأثير يسمى علماء الري. استرخاء الإجهاد الحراري.

يعتمد هذا الاسترخاء على حقيقة أن مادة مرنة شديدة الإجهاد تتقلص عند تسخينها. في محركنا ، هذه المادة عبارة عن أشرطة مطاطية على جانب العجلة تبرز من كتيفة ويتم تسخينها بواسطة مصباح كهربائي. نتيجة لذلك ، يتحول مركز كتلة العجلة إلى الجانب المغطى بأذرع الدعم. نتيجة لدوران العجلة ، تسقط الأربطة المطاطية الساخنة بين أكتاف الدعامة وتبرد ، حيث إنها مخفية عن المصباح. المحايات المبردة تطول مرة أخرى. يضمن تسلسل العمليات الموصوفة الدوران المستمر للعجلة.

ليس فقط تجارب مذهلة

أرز. 6. تصميم محرك حراري مصنوع من الأربطة المطاطية الصيدلانية

أ) منظر جانبي

ب) قسم على مستوى محوري. 1 - حلقة ، 2 - ابرة ، 3 - ممحاة دوائية ،

4 - قوس ، 5 - انقطاع في القوس ، 6 - لمبة

الآن الريولوجيا هو مجال سريع التطور يهم الفيزيائيين والمتخصصين في مجال العلوم التقنية. يمكن أن يكون للظواهر الريولوجية في بعض الحالات تأثير سلبي على البيئة التي تحدث فيها ويجب أن تؤخذ في الاعتبار ، على سبيل المثال ، عند تصميم الهياكل الفولاذية الكبيرة التي تتشوه بمرور الوقت. إنها ناتجة عن انتشار المادة تحت تأثير الأحمال المؤثرة ووزنها.

أظهرت القياسات الدقيقة لسمك الألواح النحاسية التي تغطي الأسطح شديدة الانحدار والنوافذ الزجاجية الملونة في الكنائس التاريخية أن هذه العناصر أكثر سمكًا في الأسفل منها في الجزء العلوي. هذه هي النتيجة تياركل من النحاس والزجاج تحت وزنهما لعدة مئات من السنين. تُستخدم الظواهر الريولوجية أيضًا في العديد من تقنيات التصنيع الحديثة والاقتصادية. مثال على ذلك هو إعادة تدوير البلاستيك. يتم حاليًا تصنيع معظم المنتجات المصنوعة من هذه المواد عن طريق البثق والرسم والنفخ. يتم ذلك بعد تسخين المادة والضغط عليها بمعدل مناسب. وهكذا ، من بين أشياء أخرى ، الرقائق ، والقضبان ، والأنابيب ، والألياف ، وكذلك اللعب وأجزاء الآلات ذات الأشكال المعقدة. من المزايا المهمة جدًا لهذه الأساليب التكلفة المنخفضة وعدم الهدر.