Дослідження термопружних властивостей гуми – МАНЛаб


Дослідження термопружних властивостей гуми

Автор Атамась Артем
Науковий співробітник НЦ "Мала академія наук України", кандидат технічних наук. Сфера наукових інтересів: розвиток технологій наукової освіти.

Завдання роботи:

  1. Ознайомитися з теоретичною частиною роботи
  2. Отримати графік залежності модуля Юнга гуми від температури.
  3. Дійти висновків щодо зміни пружних властивостей гуми під впливом зміни температур.

Обладнання:

Штатив, датчик сили, датчик температури DT029, штангенциркуль, лінійка, трубчастий нагрівач, джерело живлення з плавним регулюванням напруги від 0 до 30 В, з’єднувальні провідники, гумовий шнур, АЦП (аналогово-цифровий перетворювач) NOVA LINK, ПК.

Теоретична частина

Гума – це полімер, що перебуває у високоеластичному стані: довгі ланцюги з атомів вуглецю в ній безладно переплутані. При навантаженні на гумовий шнур молекули гуми, згорнуті в довгі спіралі, збільшують свою довжину; при знятті навантаження відновлюється вихідний стан з максимальною ентропією. При нагріванні розтягнутого джгута амплітуда коливань макромолекул збільшується, що приводить до їхнього скорочення.

Цей ефект найяскравіше виявляється для сильно подовженого гумового шнура (втричі щодо початкової довжини).  Згаданий процес у літературі отримав назву ефекту Гуха – Джоуля.

Для характеристики властивостей матеріалу чинити опір розтягненню або стисненню під час пружної деформації застосовують поняття модуля Юнга, що визначається за формулою:

(1)

де F – сила пружності, Н;

l – початкова довжина тіла, м;

Δl – абсолютне видовження або скорочення тіла, м;

S – площа перетину тіла, перпендикулярного до напрямку дії сили, м2.

Одиницею вимірювання модуля Юнга в системі СІ є Па. Отже, фізичний зміст цієї величини полягає у внутрішньому тиску, з яким зазначене тіло чинить опір пружній деформації.

Оскільки за ефектом Гуха – Джоуля гумовий шнур під час зростання температури скорочується, то варто очікувати збільшення модуля Юнга зі зростанням температури.

Хід роботи

  1. Закріпіть датчик сили на штативі.
  2. На нерозтягнутому гумовому шнурі поставте дві позначки на відстані близько 7 см. Це початкове значення довжини шнура l0. Занесіть його до таблиці.
  3. З’єднайте датчик сили і датчик температури з АЦП, задіявши перший і другий вхід.
  4. Запустіть програму MultiLab.
  5. Відкрийте вкладку «Реєстратор» – «Налаштування реєстратора», і переконайтеся, що датчики розпізнані і підключені до входів.
  6. Виберіть біля назви датчика сили у випадному вікні кнопку «Налаштування датчика» .
  7. У першій вкладці випадного вікна виберіть пункт «Сила».
  8. В останній вкладці виберіть пункт «Встановити поточне значення як нуль».
  9. Натисніть «Ok».
  10. У вікні налаштувань датчика, що залишилося, натисніть «Далі».
  11. Виберіть у списку частоту вимірів – 1 вимір на секунду.
  12. Натисніть «Далі».
  13. Виберіть кількість вимірів – 500.
  14. Натисніть «Завершити».
  15. Переконайтеся, що датчик сили налагоджений правильно, для чого натисніть на короткий час кнопку «Пуск» , а потім «Стоп» . Графік сили має збігатися з горизонтальною віссю. У разі невідповідності повторіть обнуління датчика.
  16. Приєднайте гумовий шнур до нижнього утримувача і розтягніть шнур до трикратного видовження (вимір проводьте за відстанню між рисками на шнурі). Кінцеву відстань між позначками l занесіть до таблиці. Зафіксуйте утримувач.
  17. Звільніть нижній край шнура.
  18. Встановіть нижче датчика сили трубчастий нагрівач та з’єднайте його з джерелом живлення.
  19. Пропустіть джгут крізь нагрівач, розтягніть його у три рази та закріпіть за допомогою нижнього утримувача.
  20. За допомогою штангенциркуля виміряйте діаметр шнура в розтягнутому стані d. Результат занесіть до таблиці.
  21. Розташуйте паралельно джгуту датчик температури. Простежте, щоб він не створював для джгута перешкоду при русі.
  22. Джерелом живлення доберіть силу струму, достатню для нагрівання джгута до температури 100°С (близько 1,5 А); вимкніть джерело живлення.
  23. Виберіть кнопку «Новий експеримент» .
  24. Натисніть кнопку «Пуск» .
  25. Увімкніть джерело струму.
  26. При досягненні температури 100°С вимкніть джерело живлення. Доторкатися до нагрівника небезпечно!
  27. Дочекайтеся завершення реєстрації даних.
  28. На екрані з’являться два графіки залежності сили і температури від часу.
  29. Збережіть отриманий результат вимірювань.

Аналіз даних

  1. Обчисліть абсолютне видовження шнура  Результат занесіть до таблиці.
  2. Обчисліть площу перетину шнура  Результат занесіть до таблиці.
  3. У вікні програми MultiLab оберіть кнопку . Результати вимірювань автоматично перенесуться до таблиць Excel.
  4. Задайте в новій колонці таблиць Excel формулу для обчислення модуля Юнга (1) та скопіюйте її у решту рядків.
  5. За допомогою інструментів таблиць Excel побудуйте графік залежності модуля Юнга розтягнутого гумового джгута від температури.
  6. Дійдіть висновків щодо зміни пружних властивостей гуми під впливом зміни температур.

 

Таблиця результатів

l0 (м) l (м) Δl (м) d (м) S (м2)