Mỏng ở đâu, gãy ở đó

22

Mỏng ở đâu, gãy ở đó

V. V. MAISKY

Bài viết này có thể được coi là một ví dụ về việc thiết lập bất kỳ thí nghiệm vật lý nào. Trước hết, bài toán được xây dựng rõ ràng và ý tưởng về lời giải của nó được phát triển. Sau đó, thí nghiệm sẽ được thực hiện: thiết lập được chọn và các phép đo thích hợp được thực hiện. Sau đó, kết quả thu được sẽ được xử lý và áp dụng về mặt lý thuyết.

Khi Vsevolod Maisky viết bài báo của mình, anh ấy đang học lớp 10 tại Trường Moscow số 179. Hiện anh ấy là sinh viên của Viện Kỹ thuật Hóa học Moscow.

“Bền”, “dễ vỡ” - chúng ta thường sử dụng những thuật ngữ này trong cuộc sống hàng ngày và trong công nghệ, để mô tả các đồ vật và vật liệu khác nhau. “Sức mạnh” là gì và làm thế nào để đo lường được nó?

Ví dụ, ngư dân biết rõ một phương pháp đơn giản để xác định độ bền của dây câu: một đoạn dây câu buộc ở một đầu được chất các trọng lượng khác nhau; Tải trọng tối đa mà một dây có thể chịu được là độ bền kéo của nó. Phương pháp này có thể được sử dụng để kiểm tra độ bền của các vật liệu khác.

Điều gì quyết định sức mạnh, chẳng hạn như độ bền kéo? Đầu tiên, từ diện tích mặt cắt ngang. Như vậy, để đứt dây câu có đường kính 0,1 mm cần một lực khoảng 50 N, dây câu có đường kính 0,5 mm có thể chịu được sức nặng của người lớn. Để loại bỏ sự phụ thuộc vào độ dày của mẫu, một khái niệm đặc biệt được đưa ra - độ bền kéo. Đây là ứng suất tối đa mà mẫu có thể chịu được mà không bị hỏng.

Thứ hai, độ bền của vật liệu phụ thuộc vào nhiệt độ của nó. Đối với kim loại, chẳng hạn, khi nhiệt độ tăng, độ bền kéo giảm (ví dụ, sự tương ứng với biểu đồ về sự phụ thuộc của độ bền kéo vào nhiệt độ đối với các kim loại khác nhau được đưa ra trong “Sổ tay vật lý cơ bản” của N. I. Koshkin và M. G. Shirkevich).

Sức mạnh có thể phụ thuộc vào… chiều dài? Thoạt nhìn có vẻ như không, và đối với những quả mận lớn thì điều này thực sự đúng. Nhưng có một loại vật liệu có độ bền phụ thuộc vào độ dài của mẫu. Chất liệu này là len.

Một trong những tương ứng bài toán loại IV Turir của các nhà vật lý trẻ dựa trên những tính chất nhỏ của six-blaz. Đây là các điều khoản của nó:

Sợi len được dệt từ nhiều sợi riêng lẻ. Điều tra độ bền kéo của sợi như vậy tùy thuộc vào chiều dài của nó. Giải thích kết quả thí nghiệm.

Việc đầu tiên cần làm là lựa chọn đối tượng phù hợp để nghiên cứu. Sau vài thử nghiệm đầu tiên, sự lựa chọn rơi vào một sợi chỉ sáu mảnh mỏng nhưng khá chắc chắn (cần một lực từ 2 đến 4 N để làm đứt nó). Trong những thí nghiệm này, nó đã được thành lập:

23

a) Đối với các mẫu có cùng chiều dài thì độ phân tán về giá trị lực làm đứt sợi rất lớn; Vì vậy, để có được kết quả đáng tin cậy, cần phải có số lượng thí nghiệm lớn hơn.

6. Khi tiếp xúc lâu với sợi chỉ, nó bị kéo căng mạnh và có thể bị đứt với một lực làm thay đổi đáng kể giá trị cho phép; do đó, việc cài đặt phải đơn giản nhất có thể để việc thử nghiệm không mất nhiều thời gian.

Trong quá trình tìm kiếm, nhiều thiết bị khác nhau đã được phát minh và thử nghiệm. Điều này bao gồm việc treo một vật nặng từ một sợi dây gắn vào một đầu và sử dụng một đòn bẩy có tỷ số cánh tay thay đổi và sử dụng một cuộn dây điện từ có lõi (cái gọi là cân bằng điện từ).

Sau nhiều lần thử nghiệm, sự lựa chọn rơi vào một trong những cài đặt đơn giản nhất, được thực hiện trên cơ sở máy đo đường kính trường học thông thường (số đọc tối đa 4 N, giá trị chia 0,1 N). Một thước đo được gắn vào đế của thước đo đường kính để đo chiều dài của sợi chỉ. Trên thanh dẫn, kết thúc bằng lò xo của đồng hồ đo đường kính, được gắn một thanh trượt có thể di chuyển dọc theo cân với một rung động nhẹ. Với sự trợ giúp của nó, các chỉ số đường kính đã được ghi lại. Một chùm chỉ (10-15 sợi) được buộc vào móc của thước đo đường kính. Một sợi chỉ được chọn từ bó, chiều dài của nó được đo bằng thước và sau đó sợi chỉ được kéo mạnh ở đầu tự do. Mũi tên di chuyển dọc theo thang đường kính, đẩy động cơ. Sau khi các sợi chỉ bị đứt, mũi tên trở về vị trí ban đầu và thanh trượt biểu thị giá trị lực mà sợi chỉ bị đứt, tức là mẫu rất mạnh.

Đối với các thí nghiệm, các sợi có độ dài 2, 3, từ 5 đến 30 được sử dụng với khoảng cách 5 và cuối cùng là 40 cm. Đối với mỗi độ dài, 10-15 thí nghiệm đã được thực hiện và tìm thấy số đọc trung bình của sợi. Dựa trên dữ liệu thu được, một biểu đồ được xây dựng về sự phụ thuộc của luồng thứ sáu vào chiều dài của nó (Hình 1). Biểu đồ cho thấy khi chiều dài của mẫu tăng thì độ bền của ren giảm. Làm thế nào điều này có thể được giải thích?

Hóa ra toàn bộ vấn đề nằm ở cấu trúc bên trong của sáu luồng. Mỗi sợi bao gồm một số lượng lớn các sợi riêng lẻ dày 30-50 micron, xoắn lại với nhau. Chiều dài của các lông nhung khác nhau là khác nhau: từ 4 đến 40 cm. Trong quá trình thí nghiệm, chiều dài của lông nhung đã thay đổi, trong khi chiều dài trung bình là 8,1 cm, 89% tổng số lông nhung rơi vào khoảng từ 4 đến 13 cm, và có rất ít lông nhung rất ngắn và rất dài.

Hãy xem xét một mô hình cực kỳ đơn giản - một sợi bao gồm một số lượng lớn các sợi hoàn toàn giống nhau (cùng chiều dài, diện tích mặt cắt ngang, v.v.). Các sợi được xoắn lại với nhau sao cho trong mỗi phần của sợi có một số vùng (chúng ta sẽ gọi là khuyết tật), vì lý do này hay lý do khác mà độ dày của sợi bị giảm.

Giả sử sợi chỉ có chiều dài lớn hơn chiều dài của một sợi vải. Như đã biết từ thực tế, hãy giới thiệu nó ở đâu là tinh tế. Điều này cũng đúng với sợi chỉ của chúng ta: để làm đứt phần sợi mỏng hơn, cần một lực nhỏ hơn lực cần thiết để làm đứt phần còn lại của sợi. Chúng ta hãy biểu thị lực thứ nhất là $F_1$ và lực thứ hai là $F'_1$. Vì có rất nhiều sợi nên chúng ta có thể giả định rằng các khuyết tật được phân bố đều dọc theo sợi và