Краткая теория. Практикум по курсу ''Физика материалов легкой промышленности'' включает в себя работы по изучению различных свойств полимеров: механических (1)

ВВЕДЕНИЕ

Практикум по курсу ''Физика материалов легкой промышленности'' включает в себя работы по изучению различных свойств полимеров: механических (1), реологических (3,4), диэлектрических (6), оптических (7), гигроскопических (5).

А также в лабораторный практикум включена работа по изучению поверхностных явлений, происходящих в жидкостях, например, клеях.

В начале каждой лабораторной работы сформулирована цель данного задания, перечислены материалы и оборудование. Далее идет краткая теория, знакомящая студента с основами курса и позволяющая рассчитать определяемые величины, описание экспериментальных установок, методика и порядок выполнения работы и обработки экспериментальных данных. В конце описания каждой работы приводятся контрольные вопросы, позволяющие студенту провести самооценку своих знаний по данной теме.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1

ИЗМЕРЕНИЕ МОДУЛЯ УПРУГОСТИ РЕЗИНЫ

Оборудование: лабораторная установка.

Краткая теория

Под действием сил, приложенных к твёрдому телу, его форма меняется, т.е. происходит его деформация. При небольших упругих деформациях выполняется закон Гука:

s = E e, (1.1)

где s - напряжение,

E - модуль Юнга,

e - относительное удлинение.

Рассмотрим определение величин напряжения и относительного удлинения. Если к стержню, один конец которого закреплён, приложить силу, направленную вдоль оси (рис.1.1), то стержень удлиняется от первоначального значения l o до конечного l. Абсолютным удлинением называется величина

D l= l- l o (1.2)

Относительным удлинением называется

отношение

. (1.3)

Напряжением называется сила, приходящаяся на единицу площади:

, (1.4)

где F – сила,

S – площадь поперечного сечения стержня.

Из закона Гука следует физический смысл модуля Юнга, который численно равен напряжению, при котором длина стержня увеличивается в два раза.

Закон Гука выполняется для упругих деформаций – таких, которые полностью исчезают после прекращения действия силы. Различные материалы обнаруживают упругие свойства при разных относительных удлинениях: до 1% для металлов и до десятков и сотен процентов для полимеров. Модуль Юнга также имеет разные значения: для стали – 2,1 × 10 ¹¹ Па, для стеклообразных полимеров – 1 ¸ 10 ГПа, для каучукообразных полимеров – 1 ¸ 10 МПа.

Один и тот же полимер в зависимости от условий испытаний (величины, скорости приложения нагрузки, температуры) может проявлять различные механические свойства. При низких температурах и высоких частотах воздействия, полимер может быть стеклообразным материалом. При деформациях менее 5 % он будет разрушаться или переходить в пластическое состояние. При высоких температурах или низких частотах тот же полимер может быть каучукообразным материалом и может иметь большое удлинение (около 100 %) без остаточной деформации. Остаточная деформация – это деформация, которая не исчезает после прекращения действия нагрузки. При ещё больших температурах и действии силы создаются необратимые деформации, т.е. полимер ведёт себя как высоковязкая жидкость.

Таким образом, модуль Юнга является характеристикой механических свойств полимеров, рассчитать которую можно по закону Гука (1.1):

(1.4)

Подставляя значения s и E из формул (1.5) и (1.3), получим

. (1.5)

Учитывая, что поперечное сечение резиновой ленты имеет форму прямоугольника с размерами а и b и площадью S = a × b, найдём модуль Юнга по формуле:

. (1.6)