Rugalmas alakváltozások » Szivacs összenyomódása

Jelenség leírása

Téglatest alakú, száraz, puha szivacsot helyezzünk vízszintes asztalra úgy, hogy a legnagyobb lapja legyen az asztalon. Helyezzünk rá egy kemény kartonlapot, majd terheljük fokozatosan! Hogyan függ az összenyomódás a terhelõ erõtõl? Fokozatosan szüntessük meg a terhelést! Mit tapasztalunk? Végezzük el a kísérletet szivacslabdákkal is!

Eszközök

hosszú vonalzó, hosszú vonalzó vagy mérőszalag., mérleg

Magyarázat

A kísérletekhez használt szivacs méretei: hosszúsága (140,0 \pm0,3) mm, szélessége (85,8\pm0,3) mm, magassága (37,3\pm0,3) mm. A feladat szövegében javasolt kartonlapok könnyen deformálódnak, ezért inkább két üveglap közé tettem a szivacsot. A felsõ üveglapra egy olyan méretû mûanyag edény állítottam, amelynek alaplapja körülbelül a szivacs hosszával egyezett meg.

A szivacs terhelését úgy változtattam, hogy az edénybe egymás után gondosan lemért mennyiségû vizet öntöttem, és a víz tömegéhez mindig hozzáadtam a felsõ üveglap 100 g-os és a flakon 171 g-os tömegét, majd kiszámítottam a teljes F terhelõ erõt. A tömegmérésre egyszerû konyhai mérleget használtam, ennek pontossága \pm0,02 kg volt, így a terhelõerõ bizonytalansága \pm0,2 N.

Az 1. ábrán látható elrendezésben 0,05 mm pontosságú tolómérõvel mértem az üveglapok h távolságát, és ezt az adatot tekintettem a szivacs magasságának. A módszer elõnye: az üveglapok kerülete mentén több helyen is könnyen megmérhettem a köztük levõ távolságot, így ellenõrizni tudtam a lapok párhuzamosságát is. (Eltérés esetén a flakon kicsiny elmozdításával korrigálni tudtam.) A magasságmérés pontossága kb. \pm0,15 mm volt.

1. ábra. 1.: alsó üveglap, 2.: felsõ üveglap, 3.: szivacs, 4.: mûanyag tartály, 5.: víz, h: a két üveglap távolsága

a) A mérésnél két azonos, illatszerboltban vásárolt új szivacsot használtam. A téglatest alakú szivacs ,,terheletlen magasságát'' közvetlen méréssel határoztam meg a kísérletek elõtt és után is.

b) A szivacsból tapétázókés és -olló segítségével 6 darab (37,3\pm0,3) mm átmérõjû labdát vágtam ki, amelyeket - amennyire lehetett - gömb alakúra formáztam. Ezt a 6 szivacslabdát (a téglatest alakúhoz hasonló módon) elhelyeztem a két üveglap közé, és a deformációkat az üveglapok távolságának mérésével határoztam meg.

A szivacs terhelésének csökkentését úgy oldottam meg, hogy egy vékony tömlõ segítségével a víz adott mennyiségû részét kiszívtam. Igyekeztem a víz mennyiségét ugyanakkora adagokkal csökkenteni, mint amekkorákat a betöltésnél használtam.

Az F terhelõerõt kb. 2,5 N-os lépésekben 0-tól 46,6 N-ig növeltem, majd fokozatosan ismét nullára csökkentettem. A mért h távolságokat F függvényében (mindkét szivacs-alaknál) táblázatba foglaltam és grafikusan ábrázoltam.

a) A mérési eredményekbõl az látszik, hogy a téglatest alakú szivacs egy bizonyos terhelésig aránylag keveset deformálódik (2. ábra). Ha azonban a terhelés meghaladja a kb. 25 N-t, akkor a szivacs magassága a terhelés növelésére kb. 35-40 N-ig jelentõsen csökken. További terhelés hatására a magasság már csak kisebb mértékben változik. A terhelés csökkentése során a szivacs magassága fokozatosan nõ, de egy adott terhelés mellett mindig alatta marad a növekvõ terhelésnél mért magasságnak. A két görbe csak a 8 N alatti és 40 N feletti terheléseknél halad közel egymáshoz, tehát hiszterézist mutat.

2. ábra. A téglatest alakú szivacs magasságának függése a terheléstõl növekvõ, illetve csökkenõ terhelõerõ esetén

b) A szivacslabdák deformációs grafikonján is hiszterézist figyelhetünk meg, bár az kisebbnek tûnik, mint a téglatest alakú szivacs esetében (3. ábra). A szivacslabdák jelentõssé váló deformációja kisebb terhelésnél következett be, ami azzal is összefüggésben lehet, hogy ilyenkor a nyomóerõ kezdetben sokkal kisebb felületen oszlott el, mint a téglatestnél.

3. ábra. Szivacslabdák deformációja növekvõ, illetve csökkenõ terhelõerõ esetén

A szivacs furcsa deformációs viselkedése talán azzal magyarázható, hogy a terheletlen szivacs gömbhéjszerû struktúrákból épül fel, melyek között kisebb-nagyobb méretû légbuborékok találhatók. E szerkezet bizonyos terhelésig kifejezetten nyomásálló. Ha a terhelés meghalad egy bizonyos határértéket, akkor a gömbhéj-struktúrák (valószínûleg elõször a nagyobbak) összeomlanak, összenyomódnak, a szivacs belapul. Amikor a levegõ nagy részét kiszorítottuk a szivacs anyagából, további összenyomódás már csak sokkal nehezebben érhetõ el. Ha csökkentjük a terhelést, a gömbhéj-struktúrák fokozatosan helyreállnak. Elõször valószínûleg a kisebb sugarú gömbök telnek meg levegõvel, majd a nagyobbak is felveszik eredeti alakjukat.

Szerzők

  • Gnadig Péter

Forrás, irodalom, hivatkozás

  • Kocsis Vilmos
  • Láng Marcell
  • Meszéna Balázs
  • Roósz Gergõ
  • Varga István
  URI STRING  
/show/267/F-B-F
  CLASS/METHOD  
show/index
  MEMORY USAGE  
621,384 bytes
  BENCHMARKS  
Loading Time Base Classes  0.0012
Controller Execution Time ( Show / Index )  0.0078
Total Execution Time  0.0090
  GET DATA  
No GET data exists
  POST DATA  
No POST data exists
  DATABASE:  kiserletek   QUERIES: 9   
0.0005   INSERT INTO `sessions(`session_id`, `ip_address`, `user_agent`, `last_activity`) VALUES ('d7987d601f63211e1a5ea085e3bf5528''3.88.161.108''CCBot/2.0 (https://commoncrawl.org/faq/)'1555584735) 
0.0004   SELECT `label`, trim(item) as item
FROM 
(`categories`) 
0.0005   SELECT *
FROM (`experiments`)
WHERE `eid` = '267' 
0.0006   SELECT *
FROM (`exp_kwd`)
JOIN `keywordsON `keywords`.`path`=`exp_kwd`.`path`
WHERE `eid` = '267' 
0.0005   SELECT *
FROM (`exp_cat`)
JOIN `categoriesON `categories`.`label`=`exp_cat`.`label`
WHERE `eid` = '267' 
0.0003   SELECT `name`
FROM (`materials`)
WHERE `eid` = '267' 
0.0003   SELECT `source`
FROM (`sources`)
WHERE `eid` = '267' 
0.0004   SELECT *
FROM (`exp_authors`)
JOIN `authorsON `exp_authors`.`monogram`=`authors`.`monogram`
WHERE `exp_authors`.`eid` = '267' 
0.0005   SELECT *
FROM (`media`)
JOIN `media_typeON `media_type`.`format`=`media`.`format`
JOIN `exp_mdaON `media`.`mid` = `exp_mda`.`mid`
WHERE `exp_mda`.`eid` = '267'