Если число колебаний N в первом и втором случаях одинаково, то формулы (13.14) и (13.15) можно записать через время и число колебаний

5. Если число колебаний N в первом и втором случаях одинаково, то формулы (13.14) и (13.15) можно записать через время и число колебаний

 . (13.16)

Подставляют в эти формулы измеренные значения входящих в них величин и вычисляют модуль кручения f и модуль сдвига G материала проволоки.

6. Для вычисления величин погрешностей измерений можно вывести следующие формулы ,

 . (13.17)

При этом принято, что погрешности измерений величин l₁ и l₂ одинаковы и равны Dl, а погрешности измерения t₁ и t₂ равны Dt.

Анализ приведенных формул показывает, что наибольший вклад в измерение модуля сдвига вносит погрешность измерения величины r. Следовательно, радиус проволоки должен быть измерен с максимально возможной точностью. Кроме того, желательно

проводить эксперимент таким образом, чтобы значения величин l₁ и l₂ и, соответственно, t₁ и t₂ как можно больше отличались друг от друга.

7. Проводят необходимые измерения и вычисляют модули кручения и модули сдвига еще для двух-трех материалов.

8. Сравнивают полученные значения модуля сдвига с табличными значениями и делают вывод о точности проделанных измерений.

Изучение зависимости величины деформации твердого тела от напряжения при деформации растяжения.

Идея эксперимента

В эксперименте подвергается растяжению металлическая проволока. Точное измерение величины деформации в зависимости от нагрузки позволяет установить основные закономерности и характеристики деформации растяжения.

Теория

Упругая деформация твердых тел описывается законом Гука

, (14.1)

где s = F/S – нормальное напряжение (отношение силы F, приложенной перпендику-

лярно поперечному сечению образца, к площади S этого сечения), e = Dl/l₀ – относительная деформация (отношение удлинения Dl к первоначальной длине l₀ образца), Е – модуль упругости (модуль Юнга). Заметим, что s численно равно энергии, приходящейся на 1м³ деформируемого материала.

Модуль Юнга характеризует упругие свойства твердых тел при деформации растяжения – сжатия. Он численно равен величине напряжения, которое вызывает изменение длины образца вдвое, если деформация при этом остается упругой. С другой стороны, модуль Юнга можно понимать как величину, численно равную объемной энергии деформации при удвоении размеров образца.

Закон Гука справедлив лишь для идеально упругих тел. Для реальных же тел наблюдаются различные отклонения от этого закона. На рис. 30 представлена характерная диаграмма растяжения твердого тела. Строгая пропорциональность между относительным удлинением и напряжением наблюдается лишь при сравнительно небольших нагрузках, на участке 0А.

Максимальное напряжение s_п, при котором еще выполняется закон Гука, называется пределом пропорциональности.

Максимальное напряжение s_уп, при котором еще не возникают заметные остаточные деформации (относительная остаточная деформация не превышает 0,1 %), называется пределом упругости. Ему соответствует точка В на диаграмме деформации.

Предел текучести – это напряжение, которое характеризует такое состояние деформируемого тела, после которого удлинение возрастает без увеличения действующей силы (горизонтальный участок ВС).

Пределом прочностиs_пр (точка D) называется напряжение, соответствующее наибольшей нагрузке, выдерживаемой телом перед разрушением.

Отклонения от закона Гука в области напряжений, не превосходящих предела упругости, объединяются общим понятием неупругости. Проявлением неупругости являются, например, упругие последействия и упругий гистерезис, подлежащий экспериментальному наблюдению в данной работе.

Явление упругого последействия заключается в изменении со временем деформационного состояния при неизменной величине напряжения. В этом случае после приложения нагрузки к образцу деформация возникает не мгновенно, а продолжает увеличиваться с течением времени (прямое упругое последействие); также и после снятия нагрузки: деформация образца исчезает не мгновенно, а продолжает уменьшаться во времени (обратное упругое последействие).

Площади, ограниченные кривой нагрузки и двумя абсциссами, соответствующими двум значениям относительной деформации, пропорциональны работе А внешних сил или, что тоже, потенциальной энергии Е_п при упругом деформировании образца. Это следует из расчета элемента площади DQ под кривой

, (14.2)

где с – коэффициент пропорциональности, DW₁ – объемная плотность энергии деформации образца. Коэффициент пропорциональности с равен объемной плотности энергии деформации, приходящейся на единицу площади, ограниченной графиком, и имеет размерность Дж/клетку.

Площадь под всей кривой нагрузки соответствует объемная плотность энергии W₁, а площади под всей кривой разгрузки – объемная плотность энергии W₂.

Если к образцу прикладывать сначала возрастающее напряжение, а затем производить разгрузку, то на графике s = f(e) кривая нагрузки не будет совпадать с ветвью разгрузки. При полном цикле нагрузки – разгрузки график образует фигуру, называемую петлей гистерезиса. Площади петли пропорциональна объемная плотность поглощенной энергии упругости DW, перешедшей в тепло.

Явления необратимого превращения в теплоту механической энергии (иначе, диссипация энергии) в процессах деформирования твердых тел связано с так называемым внутренним трением.

Для количественной оценки внутреннего трения материалов часто пользуются относительной величиной – коэффициентом поглощения

y = DW/W₁ , (14.3)

где W₁ – энергия упругой деформации при нагрузке образца.

Явления неупругости присущи всем реальным твердым телам, как полимерным, так и низкомолекулярным, в том числе металлам.

Явления неупругости металлов и других кристаллических тел связаны с дефектами кристаллической решетки: различными точечными дефектами, дислокациями и вызванными ими неоднородностями структуры и, как следствие, наличием внутренних механических микронапряжений в твердых телах. Неупругость полимерных материалов обусловлена изменением структуры макромолекул под действием механических напряжений.

Экспериментальная установка

Установка для наблюдения деформации растяжения представлена на рис.31 Она состоит из массивного основания 1 с верхним 2 и нижним 3 кронштейнами. Испытуемый образец – проволока 4, закрепляется с помощью винтовых зажимов 5 и 6. К нижнему зажиму прикреплена платформа 7, на которую для создания нагрузки накладываются

грузы. Для удобства закрепления проволоки верхний зажим сделан подвижным и может фиксироваться с помощью винта 8. Для того чтобы верхний кронштейн во время измерений находился под постоянной нагрузкой и имел постоянный изгиб, к нему на тягах 9 подвешена горизонтальная планка 10. На неё перед измерениями навешиваются все грузы, которые затем перекладываются на платформу. Прибор устанавливается (обычно крепится к стене) в вертикальном положении.

Для точного измерения величины деформации в работе применяется катетометр.

Катетометр предназначен для измерения вертикальных отрезков, расположенных на расстояниях несколько десятков сантиметров от объектива зрительной трубы катетометра.

Катетометр (рис. 32) состоит из вертикального штатива с колонкой 1 на треножнике, измерительной каретки 2, зрительной трубы 3 и отсчетного микроскопа 4. Подъемными винтами 5 треножника колонку можно устанавливать по круглому уровню строго вертикально. С помощью ручек 6 колонку можно поворачивать вокруг вертикальной оси. Измерительная каретка 2, несущая зрительную трубу 3 и отсчетный микроскоп 4, перемещается по колонке на роликах. Грубое перемещение каретки по вертикали осуществляется от руки при открепленном винте 7, точное – с помощью микрометрического винта 8 при закрепленном винте 7.

Зрительная труба 3 укреплена на каретке. Фокусировка трубы на выбранную точку объекта производится вращением маховичка 9. Сбоку на тубусе имеется цилиндрический уровень, ось которого параллельна визирной оси трубы. Уровень устанавливается в горизонтальном положении микрометрическим винтом путем совмещения изображения концов пузырька, рассматриваемого через окуляр зрительной трубы. При совмещении половинок пузырька визирная ось зрительной трубы принимает строго горизонтальное положение.

Измерительная система катетометра состоит из зрительной трубы и отсчетного микроскопа с осветительной системой. В фокальной плоскости окуляра отсчетного микроскопа установлена масштабная сетка (рис. 34), на которую специальным оптическим устройством проектируется миллиметровая шкала. Измерение расстояний между двумя точками производится с помощью зрительной трубы и отсчетного микро-

скопа путем сравнения измеряемой длины с миллиметровой шкалой.

Перемещая каретку со зрительной трубой и отсчетным микроскопом по колонке вдоль миллиметровой шкалы а также вращая колонку вокруг вертикальной оси, устанавливают трубу на выбранные точки объекта; отсчеты снимают через окуляр отсчетного микроскопа по шкале и масштабной сетке. Длины вертикальных отрезков определяют как разность соответствующих отсчетов по шкале.

Катетометр снабжен трансформатором для включения в сеть осветительной части отсчетного микроскопа.

Методика измерений

С помощью подъемных винтов треножника по круглому уровню ось колонки устанавливается строго вертикально.

Осветительная часть отсчетного микроскопа включается через трансформатор в сеть.

Винт 7 открепляется, измерительная каретка поднимается на уровень выбранной точки объекта. Труба грубо устанавливается на выбранную точку. Окуляр зрительной трубы путем вращения устанавливается на резкое изображения сетки; фокусировка трубы на резкое изображение объекта производится вращением маховичка 9. После этого с помощью винта 8 при закрепленном винте 7 производится точная наводка трубы на выбранную точку объекта.

Сетка зрительной трубы имеет перекрестие (рис. 33), правый горизонтальный штрих которого выполнен в виде углового биссектора. При наводке трубы выбранная точка объекта должна располагаться в правой половине углового биссектора на уровне горизонтального штриха. При этом необходимо следить за цилиндрическим уровнем, изображения пузырьков которого должны образовать дугу.

После этого снимают первый отсчет по масштабной сетке. В поле зрения микроскопа одновременно видны изображения двух штрихов миллиметровой шкалы, обозначенные крупными цифрами, и масштабная сетка (рис. 34). Производство отсчета легко уяснить из следующего примера. На рис.34 большой штрих располагается на масштабной сетке. Целое число миллиметров дает большая цифра, соответствующая этому штриху; десятые доли миллиметра дает ближайшая цифра слева над штрихом. Отсчет сотых и тысячных долей миллиметра производится в горизонтальном направлении сетки там, где

миллиметровый штрих шкалы пересекает наклонные светлые линии сетки. На рисунке

миллиметровый штрих 162 находится под цифрой 2 и между четвертым и пятым деле-

нием сетки. Отсчет будет 162,244 мм. Тысячные доли миллиметра отсчитываются на глаз по положению штриха между вертикальными делениями сетки.

Проведение эксперимента

Измерения

1. Для эксперимента берется один образец – проволока из меди, алюминия, стали и т. п. (по указанию преподавателя). Проволоку хорошо выпрямляют и вытягивают, на ней не должно быть надломов и скруток. Длина образца 105 – 110 см. Концы проволоки прочно закрепляют с помощью винтов в верхнем и нижнем зажиме экспериментальной установки. Отпускают винт 8 и, поднимая верхний зажим, хорошо натягивают проволоку. (При этом не надо прилагать больших усилий, от которых уже может произойти значительная деформация образца.) В этом положении зажим фиксируется винтом 8.

Похожие работы

Физика: механика и термодинамика

Скачать

67410

17

19

... самопроизвольно протекать не может, необходим подвод энергии извне. 2-й закон термодинамики с использованием понятия энтропии формулируется так: Все процессы в природе протекают в направлении увеличения энтропии, энтропия замкнутой системы не может самопроизвольно уменьшаться. В статистической физике энтропию связывают с термодинамической вероятностью состояния системы – с числом ...

Механика, молекулярная физика и термодинамика

Скачать

121629

26

25

... в 2 раза. 180. Найти относительную скорость движения двух частиц, движущихся навстречу друг другу со скоростями u1 = 0,6×c и u2 = 0,9×c. II. ОСНОВЫ МОЛЕКУЛЯРНОЙ ФИЗИКИ И ТЕРМОДИНАМИКИ Молекулярная физика и термодинамика – разделы физики, в которых изучаются макроскопические процессы в телах, связанные с огромным числом содержащихся в них атомов и молекул (макроскопические системы ...

Приложения технологии языка программирования Паскаль в прикладной механике

Скачать

68032

2

4

... условий взаимной уравновешенности системы сил является одной из основных задач статики. На основе изложенной в первой главе курсовой работы алгоритм конструкции языка программирования Паскаль составим и решим ряд задач по прикладной механике. Сформулируем задачу по статике первому разделу прикладной механики. Задача. Найти центр тяжести тонкого круглого однородного стержня изогнутого по дуге ...

Кинематика

Скачать

26011

13

22

... тела - найти характеристики движения самого тела и отдельных его точек. В данном задании к таким характеристикам относятся векторы угловой скорости и углового ускорения тела. Рис. 1 Основные формулы кинематики плоского движения твердого тела - векторные формулы, связывающие соответственно скорости и ускорения двух произвольных точек плоской фигуры, например, точек А и В (рис. 1) B = A ...