«Забывчивость» и «память» металлов

При остаточной относительной деформации = 0,1 -0,01 металл забывает исходную форму и принимает новую. На такой «забывчивости» основаны технологические процессы обработки металлов.

В 1953 г. появился сплав Оландера, а в 1963 — нитинол (сплав никеля с титаном), обладающие способностью запоминать форму.

Пусть остаточная деформация стержня при температуре t равна Вост- 0,1. При нагревании деформированного стержня из обычного металла до температуры /2 > t сохраняется остаточная деформация. Поэтому его форма не изменяется. Такой же стержень из сплава, запоминающего форму, при температуре t > t начинает укорачиваться, а при температуре /₂ остаточная деформация исчезает. Положение интервала (/j, Ь) на температурной шкале, в котором происходит «вспоминание» исходной формы, можно регулировать. Следовательно, можно деформировать стержень при температуре /о < t и возвратить к прежней форме в интервале (/j, Ь).

Как же стержень может сжиматься при нагревании? Если мы растягивали стержень, то он удлинялся вдоль оси, но сжимался в поперечном направлении. «Вспоминая» при нагреве исходную форму, стержень сжимается вдоль оси, а его поперечные размеры возрастают. Как всегда, при нагревании относительное увеличение объема стержня, соответствует приращению температуры. При этом относительное изменение линейных размеров достигает значений 0,1. Растянем, например, скобку при комнатной температуре. Состав сплава подберем так, что при температуре 36 — 37 °C скобка вспоминает прежнюю форму — она сжимается. Так можно сращивать костные переломы.

Сплавы, обладающие уникальным свойством запоминать форму, нашли широкое практическое применение в технике и медицине.

Под действием силы F, приложенной касательно к верхней грани, брусок получает деформацию сдвига (рис. 4.6).

Рис. 4.6. Деформация сдвига тела под действием сипы F.

А В — плоскость сдвига;

Ах — абсолютный сдвиг

Назовем величину у, равную тангенсу угла сдвига ф, относитель ным сдвигом:

здесь Ал- - абсолютный сдвиг.

При упругих деформациях угол ф бывает очень малым, поэтому Таким образом, относительный сдвиг

Деформация сдвига приводит к возникновению в каждой точке бруска тангенциального упругого напряжения т, которое определяется как отношение модуля силы упругости к единице площади:

где S — площадь плоскости А В.

Опытным путем доказано, что относительный сдвиг пропорционален тангенциальному напряжению:

где G — модуль сдвига, зависящий от свойств материала и равный такому тангенциальному напряжению, при котором у = tgф = 1, а ф = 45°.

(если бы столь огромные упругие деформации были возможны).

Модуль сдвига измеряется так же, как и модуль Юнга в паскалях (Па).

Удельная потенциальная энергия деформируемого тела при сдвиге равна:

Силой трения называют силу, которая возникает при движении одного тела по поверхности другого. Она всегда направлена противоположно направлению движения. Сила трения прямо пропорциональна силе нормального давления на трущиеся поверхности и зависит от свойств этих поверхностей. Законы трения связаны с электромагнитным взаимодействием, которое существует меж ду телами.

Различают трение внешнее и внутреннее.

Внешнее трение возникает при относительном перемещении двух соприкасающихся твердых тел (трение скольжения или трение покоя).

Внутреннее трение наблюдается при относительном перемещении частей одного и того же сплошного тела (например, жидкость или газ).

Различают сухое и жидкое (или вязкое) трение.

Сухое трение возникает между поверхностями твердых тел в отсутcm вие смазки.

Жидким (вязким) называется трение между твердым телом и жидкой или газообразной средой или ее слоями.

Сухое трение, в свою очередь, подразделяется на трение скольжения и трение качения.

Рассмотрим законы сухого трения (рис. 4.7).

Рис. 4.7. На брусок, лежащий на плоскости, действует сила Е,_а.

Рис. 4.8. Когда модуль внешней силы Е. превысит значение F₀, брусок скользит.

Подействуем на тело, лежащее на неподвижной плоскости, внешней силой ?_Га, постепенно увеличивая ее модуль. Вначале брусок будет оста;

ваться неподвижным, значит, внешняя сила ?_и уравновешивается некото- *.

рой силой F_w, направленной по касательной к трущейся поверхности, 1 1.

противоположной силе ?_и. В этом случае и есть сила трения покоя.

Установлено, что максимальная сила трения покоя не зависит от площади соприкосновения тел и приблизительно пропорциональна модулю силы нормального давления N:

где р — коэффициент трения покоя, зависящий от природы и состояния трущихся поверхностей.

Когда модуль внешней силы, а следовательно, и модуль силы трения покоя превысит значение F₀, тело начнет скользить по опоре — трение покоя F_rр_ПОК сменится трением скольжения F_Tpск (рис. 4.8):

где р — коэффициент трения скольжения.

Трение качения возникает между шарообразным телом и поверхностью, по которой оно катится. Сила трения качения подчиняется тем же законам, что и сила трения скольжения, но коэффициент трения р здесь значительно меньше. F_ip = xN / R, где R — радиус катящегося тела.

Сила грения скольжения на наклонной плоскости

На тело, находящееся на наклонной плоскости (рис. 4.9), действуют.

1 ¹ три силы: сила тяжести mg, нормальная сила реакции опоры N и сила

i «л *.

сухого трения F_w. Сила F есть равнодействующая сил mg и N; она направлена вниз, вдоль наклонной плоскости. Из рис. 4.9 видно, что.

Рис. 4.9. Тело на наклонной плоскости

Если F < (F_Tр)_max = pN — тело остается неподвижным на наклонной плоскости. Максимальный угол наклона а определяется из условия (/⁷r_P)max ⁼ F ^или Р Mg cos, а = mgsinci, следовательно.

tga_max = р, где р — коэффициент сухого трения.

max.

При, а > a_max тело будет скатываться с ускорением.

Если дополнительная сила F_B", направленная вдоль наклонной плоскости, приложена к телу, то критический угол а_тах и ускорение тела будут зависеть от величины и направления этой внешней силы.

Основные закономерности движения по наклонной плоскости рассмотрены в задаче 4.2.