當胡克定律不再足夠時......

根據學校教科書中所知的胡克定律，物體的伸長率應與施加的壓力成正比。 然而，許多在現代科技和日常生活中非常重要的材料只能大致滿足這一定律或表現完全不同。 物理學家和工程師表示，此類材料具有流變特性。 研究這些特性將是一些有趣實驗的主題。

流變學是對材料特性的研究，其行為超越了基於上述胡克定律的彈性理論。 這種行為與許多有趣的現像有關。 這些特別包括：應力降低後材料恢復到原始狀態的延遲，即彈性滯後； 在恆定壓力下身體伸長增加，也稱為流量； 或使初始塑性體的抗變形能力和硬度倍增，直到出現脆性材料的特性特性。

懶惰的統治者

將一把長度為 30 公分或以上的塑膠尺的一端固定在虎鉗的鉗口中，使尺子垂直放置（圖 1）。 我們將尺的上端從垂直方向偏轉幾毫米，然後鬆開它。 請注意，標尺的自由部分會圍繞垂直平衡位置振盪幾次，然後回到原始狀態（圖 1a）。 觀察到的振盪是諧波的，因為在小偏轉時，作為引導力的彈力的大小與尺末端的偏轉成正比。 尺子的這種行為是用彈性理論來描述的。 

米。 1. 用尺研究彈性滯後

1 – 救護車，

2 - 虎鉗鉗口，A - 尺子末端與垂直方向的偏差

在實驗的第二部分中，我們將尺子的上端偏轉幾厘米，釋放它並觀察其行為（圖1b）。 現在這一端慢慢回到平衡位置。 這是由於超出了尺子材料的彈性極限。 提到的效果稱為 彈性滯後。 它在於使變形的身體緩慢恢復到原始狀態。 如果我們重複最後一個實驗，進一步傾斜尺子的上端，我們會發現它的返回也會更慢，可能需要幾分鐘。 此外，標尺不會完全返回其垂直位置，並將永久保持彎曲。 實驗第二部分所描述的效果只是其中之一 流變學研究主題.

返回的鳥或蜘蛛

對於下一個實驗，我們將使用便宜且易於購買的玩具（有時甚至可以在售貨亭中購買）。 它由一個鳥或其他動物（例如蜘蛛）形狀的扁平雕像組成，透過長帶子連接到環形手柄（圖 2a）。 整個玩具由有彈性、略帶黏性的橡膠狀材料製成。 膠帶可以輕鬆拉伸，使其長度增加數倍而不會撕裂。 我們在光滑表面附近進行實驗，例如鏡面玻璃或家具牆。 我們用一隻手的手指握住手柄並進行擺動，從而將玩具扔到光滑的表面上。 您會注意到人物黏在表面上並且膠帶保持拉緊狀態。 我們繼續用手指握住手柄數十秒或更長時間。

米。 2. 彈性滯後的一個引人注目的例子，使用返回十字顯示

1 - 蜘蛛雕像，2 - 橡皮筋，

3-手柄，4-手掌，5-面

一段時間後，我們注意到人物會突然脫離表面，並用收縮膠帶拉緊，很快就會回到我們的手中。 在這種情況下，與先前的實驗一樣，電壓也會發生緩慢的衰減，即彈性滯後。 張緊膠帶的彈性克服了圖案與表面的黏著力，這種黏著力會隨著時間的推移而減弱。 結果，棋子又回到了手中。 本實驗所用玩具的材質被流變學家稱為 粘彈性。 這個名稱的合理性在於，它既具有粘性（當它粘在光滑表面上時），又具有彈性（因此它會脫離該表面並恢復到其原始狀態）。

下降的人

照片 1. 從垂直牆上下降的雕像也是彈性滯後的一個很好的例子。

實驗也將使用現成的黏彈性材料玩具（照片1）。 它以人或蜘蛛的雕像形式製成。 我們將這個玩具四肢伸展，頭部朝上，丟到平坦的垂直表面上，最好是玻璃、鏡子或家具牆上。 拋出的物體會黏在該表面上。 一段時間後，玩具的頂部脫落，持續時間取決於表面的粗糙度和投擲速度等。 這是由於前面討論的結果而發生的。 彈性滯後 以及人物重量的作用，它取代了先前實驗中皮帶的彈性。

在重量的影響下，玩具的分離部分向下彎曲並進一步脫落，直到該部分再次接觸垂直表面。 在這次觸摸之後，下一次將人物黏合到表面上的動作就開始了。 結果，人物將再次黏在一起，但處於頭朝下的位置。 重複下面描述的過程，人物交替撕下腿，然後撕下頭。 效果是人物沿著垂直表面下降，進行壯觀的翻轉。

流動橡皮泥

米。 3.橡皮泥流動性測試

a) 初始情況，b) 最終情況；

1 - 手掌，2 - 橡皮泥的上半部分，

3 - 指示器，4 - 收縮，5 - 橡皮泥撕裂片

在本次實驗和隨後的幾個實驗中，我們將使用玩具店出售的黏土，稱為「魔法黏土」或「tricoline」。 我們將一塊橡皮泥揉成類似啞鈴的形狀，長約4厘米，較厚部分的直徑在1-2厘米以內，較窄部分的直徑約為5毫米（圖3a）。 我們用手指抓住模具較厚部分的上端並將其保持不動或將其垂直懸掛在已安裝的標記旁邊，該標記指示較厚部分的下端的位置。

觀察橡皮泥下端的位置，我們注意到它慢慢往下移動。 在這種情況下，橡皮泥的中間部分被壓縮。 這個過程稱為材料的流動或蠕變，包括在恆定應力的影響下增加其伸長。 在我們的例子中，這種張力是由橡皮泥啞鈴下部的重量引起的（圖 3b）。 從微觀角度來看 當前 這是長期承受壓力的材料結構改變的結果。 在某一時刻，狹窄部分的強度非常低，以至於僅在橡皮泥下部的重量作用下就會破裂。 流速取決於許多因素，包括材料的類型以及對其施加應力的大小和方法。

我們使用的橡皮泥對流動極為敏感，僅僅幾十秒後我們就可以用肉眼看到它。 值得補充的是，神奇黏土是在第二次世界大戰期間在美國偶然發明的，當時試圖生產一種適合生產軍事裝備輪胎的合成材料。 由於不完全聚合，得到的材料中一定數量的分子是未結合的，其他分子之間的鍵在外界因素的影響下很容易改變位置。 這些「彈跳」鍵有助於黏土具有驚人的彈跳特性。

流浪球

米。 4. 用於測試橡皮泥鋪展和應力鬆弛的裝置：

a) 初始狀態，b) 最終狀態； 1 - 鋼珠，

2 - 透明容器，3 - 橡皮泥，4 - 底座

現在將神奇橡皮泥擠入頂部開口的小透明容器中，確保其中沒有氣泡（圖4a）。 容器的高度和直徑應為幾公分。 將直徑約 1,5 公分的鋼球放在橡皮泥上表面的中心，將裝有鋼球的容器放在一旁。 每隔幾個小時我們就會觀察球的位置。 請注意，它會越來越深地進入橡皮泥，而橡皮泥又會進入球表面上方的空間。

經過足夠長的時間（取決於：球的重量、所用橡皮泥的類型、球和平底鍋的尺寸、環境溫度）後，我們注意到球到達平底鍋的底部。 球上方的空間將完全充滿橡皮泥（圖 4b）。 該實驗表明，物質的流動和 減輕壓力.

跳躍橡皮泥

將魔法黏土形成一個球，然後快速將其掉落到堅硬的表面上，例如地板或牆壁。 我們驚訝地發現橡皮泥像彈性橡皮球一樣從這些表面彈起。 神奇橡皮泥是一種可以同時表現出塑性和彈性特性的物體。 這取決於施加負載的速度。

當緩慢施加應力時，如捏合的情況，它會表現出塑性。 另一方面，當與地板或牆壁碰撞時快速施力，橡皮泥表現出彈性。 神奇橡皮泥可以簡稱為塑彈體。

拉伸橡皮泥

圖2.神奇橡皮泥緩慢拉伸的效果（拉伸纖維長度約60公分）

這次，製作一個直徑約1公分、長度幾公分的神奇橡皮泥圓柱體。 用左右手指抓住兩端並將滾筒水平放置。 然後我們慢慢地將手臂向兩側展開成一條直線，使圓柱體沿軸向拉伸。 我們感覺到黏土幾乎沒有阻力，並注意到它在中間逐漸變細。

橡皮泥圓筒的長度可以增加到幾十厘米，直到其中心部分形成細線，隨著時間的推移，細線會斷裂（照片2）。 該實驗表明，透過向塑性彈性體緩慢施加應力，可以在不破壞它的情況下引起非常大的變形。

硬橡皮泥

我們以與先前實驗相同的方式準備神奇橡皮泥圓筒，並以相同的方式將手指纏繞在其末端。 我們集中註意力，以最快的速度向兩側張開手臂，想要將圓柱體急劇拉伸。 事實證明，在這種情況下，我們感受到橡皮泥的阻力非常高，令人驚訝的是，圓柱體根本沒有變長，而是斷成一半，就像用刀切開一樣（照片3）。 該實驗還表明，塑性彈性體的變形性質取決於應力的施加速率。

橡皮泥像玻璃一樣易碎

照片 3. 神奇橡皮泥快速拉伸的結果——你可以看到伸長率降低了很多倍，邊緣很鋒利，類似於脆性材料中的裂紋

這個實驗更清楚地顯示應力率如何影響塑性彈性體的表現。 將魔法黏土製成直徑約 1,5 公分的球，並將其放置在堅固的底座上，例如重型鋼板、鐵砧或混凝土地板。 用至少 0,5 公斤重的鐵鎚慢慢擊球（圖 5a）。 事實證明，在這種情況下，球的行為就像一個塑膠體，並且在錘子落到其上後會變平（圖 5b）。

將壓扁的橡皮泥再次捏成球狀，然後像之前一樣放在盤子上。 我們再次用錘子擊球，但這次我們嘗試盡快擊球（圖 5c）。 事實證明，在這種情況下，橡皮泥球的表現就好像它是由玻璃或瓷器等脆性材料製成的，在受到撞擊時，它會向各個方向散落成碎片（圖 5d）。

藥用鬆緊帶上的熱機

流變材料中的應力可以透過提高溫度來降低。 我們將在具有令人驚嘆的工作原理的熱機中使用這種效應。 要組裝它，您需要：罐子裡的錫螺帽、十幾個短橡皮筋、一根大針、一塊矩形薄金屬板和一盞帶有非常熱燈泡的燈。 馬達的設計如圖 6 所示。組裝時，切掉蓋子的中間部分，得到一個環。

米。 5. 一種示範橡皮泥的方法以及橡皮泥的易碎特性

a) 緩慢擊球，b) 緩慢擊球，

c) 快速擊球，d) 快速擊球的效果；

1 - 橡皮泥球，2 - 實心塊狀板，3 - 錘子，

v - 錘速

在這個環的中心，我們放置一根針，即軸，並在其上放上鬆緊帶，以便在其長度的中間，它們靠在環上並緊緊地拉伸。 橡皮筋應對稱地放置在環上，從而形成具有由橡皮筋形成的輻條的輪子。 將一塊金屬板彎曲成帶有延伸臂的支架形狀，這樣您就可以將先前製作的圓圈放在它們之間並覆蓋其表面的一半。 在懸臂的一側，在其兩個垂直邊緣，我們製作一個切口，以便將輪軸放置在其中。

將輪軸放入支架的切口中。 我們用手指轉動輪子，檢查其是否平衡，即： 它會停在任何位置嗎？ 如果情況並非如此，請稍微移動橡皮筋與環相交的位置來平衡車輪。 將支架放在桌上，用強光加熱燈照亮從支架臂突出的圓圈部分。 事實證明，過了一段時間，輪子開始轉動。

這種運動的原因是由於流變效應導致車輪質心位置不斷變化 熱應力鬆弛.

這種鬆弛是基於高應力彈性材料在加熱時收縮的事實。 在我們的引擎中，這種材料是車輪側的橡皮筋，從支架伸出並由燈泡加熱。 結果，車輪的質心轉移到被支撐臂覆蓋的一側。 由於輪子的旋轉，加熱的橡皮筋落入支架的臂之間並被冷卻，因為它們隱藏在燈泡之外。 冷卻後的橡皮又會變長。 所描述的過程的順序確保了輪的連續旋轉。

不僅是令人驚嘆的實驗

米。 6. 藥用橡皮筋熱機設計

a) 側視圖，

b) 軸向平面截面； 1 - 環，2 - 針，3 - 藥用橡皮擦，

4 - 支架，5 - 支架中的切口，6 - 燈泡

現在 流變學 是物理學家和工程科學家都感興趣的一個快速發展的領域。 在某些情況下，流變現象可能會對發生的環境產生不利影響，因此必須考慮，例如在設計隨時間變形的大型鋼結構時。 它們是由於材料在現有負荷及其自重的影響下擴散而產生的。

對歷史教堂中陡峭屋頂和彩色玻璃窗上覆蓋的銅板厚度的精確測量表明，這些元素的底部比頂部厚。 這是結果 當前銅和玻璃在自身重量作用下已經存在了數百年。 流變現像也應用於許多現代且經濟的生產技術。 一個例子是塑膠回收。 大多數由這些材料製成的產品現在都是透過擠出、拉伸和吹塑來製造的。 這是在加熱材料並以適當選擇的速率對其施加壓力之後完成的。 因此，除其他外，箔、棒、管、纖維以及複雜形狀的玩具和機器零件。 這些方法非常重要的優點是成本低且無浪費。