当胡克定律不再足够时......

根据学校教科书中的胡克定律，身体的伸长率应该与施加的应力成正比。 然而，许多在现代技术和日常生活中非常重要的材料仅大致符合该定律或表现完全不同。 物理学家和工程师说，这种材料具有流变特性。 这些特性的研究将成为一些有趣实验的主题。

流变学是根据上述胡克定律研究其行为超出弹性理论的材料特性。 这种行为与许多有趣的现象有关。 这些尤其包括： 电压下降后材料返回其原始状态的延迟，即弹性滞后； 在恒定应力下增加主体伸长率，也称为流动； 或初始塑性体的抗变形性和硬度成倍增加，直至出现脆性材料的特性。

懒惰的统治者

将长度为 30 厘米或更长的塑料尺的一端固定在虎钳钳口中，使尺子垂直（图 1）。 我们将标尺的上端从垂直方向拒绝几毫米并释放它。 请注意，标尺的自由部分围绕垂直平衡位置摆动数次并返回其原始状态（图 1a）。 观察到的振荡是谐波的，因为在小的偏转时，作为引导力的弹性力的大小与尺子末端的偏转成正比。 弹性理论描述了统治者的这种行为。 

米。 1. 使用尺子研究弹性滞后

1 – 救护车，

2 - 虎钳钳口，A - 尺子末端与垂直方向的偏差

在实验的第二部分，我们将尺子的上端偏转几厘米，松开它，观察它的行为（图 1b）。 现在这一端正在慢慢回到平衡位置。 这是由于超出了尺子材料的弹性极限。 这种效果称为 弹性滞后. 它在于变形的身体缓慢恢复到其原始状态。 如果我们通过进一步倾斜标尺的顶端来重复最后一个实验，我们会发现它的返回也会更慢，可能需要几分钟。 此外，尺子不会完全回到垂直位置，并且会永久弯曲。 实验第二部分中描述的效果只是其中之一 流变学研究课题.

归来的鸟或蜘蛛

对于下一次体验，我们将使用便宜且易于购买的玩具（有时甚至在售货亭中提供）。 它由一个扁平的鸟或其他动物（如蜘蛛）形状的小雕像组成，由带有环形手柄的长带连接（图 2a）。 整个玩具由一种有弹性的橡胶状材料制成，摸起来有点粘。 胶带可以很容易地拉伸，将其长度增加数倍而不会撕裂。 我们在光滑表面附近进行实验，例如镜面玻璃或家具墙。 用一只手的手指握住手柄并挥动，从而将玩具扔到光滑的表面上。 您会注意到小雕像粘在表面上，并且胶带保持拉紧。 我们继续用手指握住手柄数十秒或更长时间。

米。 2. 弹性滞后的一个生动例子，使用返回十字表示

1 - 蜘蛛雕像，2 - 橡皮筋，

3-手柄，4-手掌，5-面

一段时间后，我们注意到小雕像会突然从表面脱落，并被热缩胶带吸引，很快就会回到我们的手中。 在这种情况下，与之前的实验一样，电压也存在缓慢衰减，即弹性滞后。 拉伸胶带的弹性力克服了图案对表面的粘附力，这种力会随着时间的推移而减弱。 结果，人形回到手上。 本实验中使用的玩具材料被流变学家称为 粘弹性. 这个名称的合理性在于它既表现出粘性——当它粘在光滑的表面上时，又表现出弹性——因此它会脱离这个表面并恢复到原来的状态。

下降的人

照片 1. 从垂直墙壁下降的小雕像也是弹性滞后的一个很好的例子。

该实验还将使用由粘弹性材料制成的现成玩具（照片 1）。 它以人或蜘蛛的形式制成。 我们将这个玩具四肢展开并倒置在平坦的垂直表面上，最好是在玻璃、镜子或家具墙上。 抛出的物体会粘在这个表面上。 一段时间后，其中的持续时间取决于表面的粗糙度和投掷速度，玩具的顶部会脱落。 这是前面讨论的结果。 弹性滞后 以及人物重量的作用，它取代了之前实验中存在的皮带弹力。

在重量的影响下，玩具分离的部分向下弯曲并进一步断裂，直到该部分再次接触垂直表面。 在此触摸之后，开始将图形粘合到表面上。 结果，人物将再次被胶合，但处于低头位置。 重复以下描述的过程，人物交替撕下腿，然后撕下头部。 效果是人物沿着垂直表面下降，进行壮观的翻转。

流体橡皮泥

米。 3. 橡皮泥流动试验

a) 初始情况， b) 最终情况；

1 - 手掌，2 - 橡皮泥的上半部分，

3 - 指示器，4 - 收缩，5 - 橡皮泥撕裂片

在这个和随后的几个实验中，我们将使用玩具店里的橡皮泥，被称为“魔法粘土”或“tricolin”。 我们将一块橡皮泥揉成类似于哑铃的形状，长约4厘米，较厚部分的直径在1-2厘米范围内，直径缩小约5毫米（图3a）。 我们用手指抓住较厚部分的上端并保持不动或将其垂直悬挂在已安装的标记旁边，以指示较厚部分下端的位置。

观察橡皮泥下端的位置，我们注意到它正在缓慢向下移动。 在这种情况下，橡皮泥的中间部分被压缩。 这个过程称为材料的流动或蠕变，包括在恒定应力作用下增加其伸长率。 在我们的案例中，这种压力是由橡皮泥哑铃下部的重量引起的（图 3b）。 从微观上看 当前 这是在足够长的时间内承受载荷的材料结构发生变化的结果。 在某一时刻，变窄部分的强度非常小，以至于仅在橡皮泥下部的重量下就会断裂。 流速取决于许多因素，包括材料的类型、施加应力的数量和方法。

我们使用的橡皮泥对流动极其敏感，我们用肉眼只需几十秒就可以看到它。 值得补充的是，魔术粘土是在第二次世界大战期间在美国偶然发明的，当时人们试图生产一种适合生产军用车辆轮胎的合成材料。 由于聚合不完全，得到了一定数量的分子未结合的材料，其他分子之间的键在外界因素的影响下很容易改变其位置。 这些“弹跳”链接有助于弹跳粘土的惊人特性。

流浪球

米。 4. 橡皮泥铺展和应力松弛测试套件：

a) 初始状态，b) 最终状态； 1 - 钢珠，

2 - 透明容器，3 - 橡皮泥，4 - 底座

现在将魔法橡皮泥挤入一个小的透明容器中，顶部打开，确保其中没有气泡（图 4a）。 容器的高度和直径应为几厘米。 在橡皮泥上表面的中心放置一个直径约 1,5 厘米的钢球，我们将容器与钢球单独放在一起。 每隔几个小时，我们就会观察球的位置。 请注意，它会越来越深地进入橡皮泥，而橡皮泥又会进入球表面上方的空间。

经过足够长的时间，这取决于：球的重量、使用的橡皮泥类型、球和锅的大小、环境温度，我们注意到球到达锅底。 球上方的空间将完全充满橡皮泥（图 4b）。 该实验表明，材料流动和 减轻压力.

跳跃橡皮泥

形成一个魔法橡皮泥球，然后迅速将其扔到坚硬的表面上，例如地板或墙壁。 我们惊讶地注意到，橡皮泥像一个有弹性的橡胶球一样从这些表面反弹。 魔术粘土是一种同时具有塑性和弹性的物体。 这取决于负载对其作用的速度。

当缓慢施加应力时，例如在捏合的情况下，它会表现出塑性。 另一方面，当快速施加力时（当它与地板或墙壁碰撞时发生），橡皮泥会表现出弹性。 魔术粘土可以简称为塑弹体。

拉伸橡皮泥

图2. 魔术粘土慢拉伸效果（拉伸后的纤维长度约60厘米）

这一次，形成一个直径约1厘米，长几厘米的神奇橡皮泥圆柱体。 用左右手的手指取两端，水平放置滚轮。 然后我们慢慢地将双臂以一条直线向两侧伸展，从而使圆柱体沿轴向拉伸。 我们觉得橡皮泥几乎没有阻力，我们注意到它在中间变窄了。

橡皮泥圆柱体的长度可以增加到几十厘米，直到在其中心部分形成细线，随着时间的推移会断裂（照片2）。 这一经验表明，通过缓慢地向塑性弹性体施加应力，可以在不破坏它的情况下产生非常大的变形。

硬橡皮泥

我们以与之前实验相同的方式准备神奇的橡皮泥圆柱体，并以相同的方式将手指缠绕在其末端。 集中注意力后，我们以最快的速度将手臂伸向两侧，想要使圆柱体急剧伸展。 事实证明，在这种情况下，我们感觉到橡皮泥的阻力非常高，令人惊讶的是，圆柱体根本没有伸长，而是在其长度的一半处断裂，就像用刀切割一样（照片 3）。 该实验还表明，塑性弹性体的变形性质取决于应力施加的速率。

橡皮泥像玻璃一样脆弱

图 3. 神奇橡皮泥快速拉伸的结果——你可以看到伸长率降低了很多倍，边缘很锋利，就像易碎材料上的裂纹

这个实验更清楚地显示了应力率如何影响塑性-弹性体的特性。 用魔法粘土形成一个直径约 1,5 厘米的球，并将其放置在坚固的大块底座上，例如重型钢板、铁砧或混凝土地板。 用至少 0,5 公斤重的锤子慢慢击球（图 5a）。 事实证明，在这种情况下，球的行为就像一个塑料体，在锤子落在它上面后会变平（图 5b）。

将压扁的橡皮泥再次形成一个球，然后像以前一样放在盘子上。 我们再次用锤子击球，但这次我们尝试尽可能快地击球（图 5c）。 事实证明，在这种情况下，橡皮泥球的行为就好像它是由玻璃或瓷器等易碎材料制成的，并且在受到冲击时，它会在各个方向破碎成碎片（图 5d）。

药用橡皮筋上的热机

流变材料中的应力可以通过提高其温度来降低。 我们将在具有令人惊讶的工作原理的热机中使用这种效果。 要组装它，您需要：一个锡罐螺帽、十几个短橡皮筋、一根大针、一块矩形薄金属片和一盏带有非常热灯泡的灯。 电机的设计如图 6 所示。要组装它，从盖子上切掉中间部分，这样就得到了一个环。

米。 5. 橡皮泥的演示方法和橡皮泥的脆性

a) 慢速击球 b) 慢速击球

c) 快速击球，d) 快速击球的效果；

1 - 橡皮泥球，2 - 实心块状板，3 - 锤子，

v - 锤速

在这个环的中心，我们放一根针，也就是轴，然后在上面放上松紧带，这样它们在长度的中间就靠在环上并被强力拉伸。 松紧带应对称地放置在环上，从而得到由松紧带形成的辐条轮。 将一块金属板弯曲成冰爪形状，双臂伸出，让您将先前制作的圆圈放在它们之间并覆盖其表面的一半。 在悬臂的一侧，在其两个垂直边缘，我们制作了一个切口，允许我们将轮轴放置在其中。

将轮轴放在支架的切口中。 我们用手指旋转轮子并检查它是否平衡，即它是否停在任何位置。 如果不是这种情况，请通过稍微移动橡皮筋与环相接的位置来平衡车轮。 将支架放在桌子上，用非常热的灯照亮从拱门突出的圆圈部分。 事实证明，过了一会儿，轮子开始旋转。

这种运动的原因是车轮质心位置的不断变化，这是一种称为流变学的效应的结果。 热应力松弛.

这种松弛是基于高应力弹性材料在加热时收缩的事实。 在我们的发动机中，这种材料是从支架支架突出并由灯泡加热的轮侧橡皮筋。 结果，车轮的质心移动到被支撑臂覆盖的一侧。 由于轮子的旋转，加热的橡皮筋落在支撑臂之间并冷却下来，因为它们隐藏在灯泡之外。 冷却后的橡皮擦再次变长。 所述过程的顺序确保车轮的连续旋转。

不仅壮观的实验

米。 6、药用橡皮筋热机设计

a) 侧视图

b) 轴向平面截面； 1 - 环，2 - 针，3 - 药用橡皮擦，

4 - 支架，5 - 支架中的切口，6 - 灯泡

现在 流变学 是物理学家和技术科学领域专家都感兴趣的一个快速发展的领域。 在某些情况下，流变现象可能会对它们发生的环境产生不利影响，因此必须考虑到，例如，在设计随时间变形的大型钢结构时。 它们是由于材料在作用载荷和自身重量的作用下铺展的结果。

对覆盖历史教堂陡峭屋顶和彩色玻璃窗的铜板厚度的准确测量表明，这些元素的底部比顶部厚。 这是结果 当前几百年来，铜和玻璃都在自重下。 流变现象也用于许多现代和经济的制造技术。 一个例子是塑料回收。 目前，由这些材料制成的大多数产品都是通过挤出、拉丝和吹塑成型的。 This is done after heating the material and applying pressure to it at an appropriately selected rate. 因此，除其他外，还有箔、棒、管、纤维，以及形状复杂的玩具和机器零件。 这些方法的非常重要的优点是成本低且不浪费。