Мастер - класс по физике «Чудеса деформации» (Физика, 7 класс)

Мастер-класс по физике «Чудеса деформации».

Этап №1. Теоретическая часть.

Механические и тепловые воздействия вызывают различные виды деформации твердых тел. Деформацией (от лат. deformatio искажение) называют любое изменение размеров и формы тела. Существуют такие виды деформации как растяжение, сжатие, кручение, изгиб, сдвиг, срез. Деформации, которые полностью исчезают после прекращения действия силы, — упругие, которые не исчезают, — пластические. [1]

Любой материал обладает своими уникальными качествами. Например, многим металлам присущи такие свойства, как твердость, прочность и долговечность. Но неизбежной реакцией твердого тела на воздействие механического напряжения или температуры является все-таки его деформация. Если пружину сжать, а затем отпустить, она приобретет исходный вид. Аналогичное действие происходит и при сгибании стальной линейки. Это не вызывает удивления, если наблюдается в пределах упругой деформации. Но если превысить предел, то материал будет деформирован так, что не сможет принять исходную форму без определенного внешнего вмешательства. Однако сравнительно недавно были обнаружены сплавы, восстанавливающие изначальное положение даже после сильной пластической деформации, так называемые интеллектуальные материалы. К числу интеллектуальных материалов относятся материалы с эффектом памяти формы. Эффект памяти формы – явление возврата к первоначальной форме при нагреве, которое наблюдается у некоторых металлических материалов после предварительной деформации.

Эффект памяти формы металлов был открыт в 1951 году при изучении системы золото – кадмий и подтвержден в 1956 году на сплаве медь – цинк. [2] Исследование этого эффекта продолжилось. В одной американской лаборатории, сотрудники которой работали над созданием легкого и прочного материала изготовили сплав никеля с титаном. Новый материал получил название «нитинол» - НИкель, ТИтан, НОЛ – сокращенное название лаборатории в США, где он был получен. Нитинол: 45% титана и 55% никеля. Это легкий и прочный сплав, он не ржавеет, суперэластичный, обладает высокой заглушающей способностью.

Чтобы понять эффект памяти формы, достаточно один раз увидеть его проявление.

Этап №2. Практическая часть.

​​​​​​​1. Рассмотреть проволоку из нитинола. Скрепка из нитинола представляет собой скрепку для бумаги.

2) Проволоку изгибаем.

3) Металлическую деформированную скрепку помещаем в сосуд с водой.

4) Начинаем медленно нагревать воду в сосуде.

При нагревании проволока распрямляется, восстанавливая свою исходную форму. Очень важно не нагревать воду выше этой температуры и сразу же извлекать проволоку из емкости с помощью пинцета.

Этап №3. Объяснение опыта с нитинолом.

Теперь разберемся, почему так происходит? Все металлы и сплавы имеют свою кристаллическую решетку, параметры которой заданы изначально. Но может осуществляться перестройка этой кристаллической решетки в связи с изменением температуры. Данный феномен происходит, потому что при деформации внешние слои материала вытягиваются, а внутренние в свою очередь сжимаются, при этом средние вовсе остаются неизменными. Такие вытянутые структуры называют мартенситными пластинами. Мартенсит упругий в материалах с памятью формы. И начинает проявляться эта упругость при нагревании, стремясь вернуть в исходное состояние структуру, а именно растянуть сплюснутые пластины и сжать вытянутые. Поэтому материал восстанавливает свою исходную форму. Так в целом получается, что он проводит автодеформацию только в обратном направлении. [5] Материал с памятью остается целым даже после десятков миллионов раз трансформации его формы.

Благодаря уникальным свойствам, сплавы нашли эффективное применение при производстве:

- силовых приводов, например, для аварийного выпуска шасси самолета, а также для роботов и манипуляторов;

- разворачивающихся антенн и мачт, технологической оснастки, фундаментов и строительных конструкций;

- тепловых двигателей для преобразования геотермальной, солнечной и низкокачественной тепловой энергии;

- съемников гребных винтов кораблей, атомных и химических реакторов, металлургического оборудования и других уникальных сооружений;

- автоматических датчиков, клапанов, переключателей, предохранителей, регуляторов, работающих по температуре, и нашедших применение при производстве оборудования для нефтяной и газовой промышленности, кондиционеров, холодильников, сушильных шкафов, автомобильных термостатов, противопожарных систем, а также в сельском хозяйстве для управления открытием стенок теплиц;

- фильтров для улавливания тромбов и сгустков крови, сосудистых протезов, мышц искусственного сердца, катетеров для лечения атеросклероза, искусственных суставов, внутрикостных шпилек и заклепок, скоб для соединения костей, протезов для исправления положения зубов, для подачи жидких лекарственных препаратов и другой медицинской техники;

- соединительных элементов различных конструкций и назначения – специальных заклепок, заглушек, уплотнений, соединений волноводов, оптико-волоконных систем, проводов кабелей;

- герметичных простых и комбинированных, стационарных и ремонтных, разъемных и неразъемных соединений трубопроводов различного назначения. [6]

Изучение свойства памяти формы продолжается, так как имеет огромные перспективы. Способности сплавов, запоминающих форму, открывают широкий простор для их практического применения. Конструкторы с их помощью получают доступ к совершенно новым решениям в технике, космонавтике, медицине, энергетики. А ведь еще совсем недавно применяемое свойство памяти формы использовалось фокусниками в трюке с изогнутым гвоздем, который сам распрямлялся в руках зрителя, для потехи публики.

Этап №4. Выводы.

1. Любое реальное тело под действием приложенной к нему силы и воздействию температуры изменяет свою форму и объем, то есть деформируется.

2. Сплавы с памятью форм обладают рядом уникальных физических свойств, поэтому их можно широко применять в различных областях науки и техники.

3. Чтобы строить надежные дома, мосты, станки, разнообразные машины, необходимо знать свойства используемых материалов. Именно в расчете на эти свойства и деформации рассчитываются самые разнообразные инструменты, детали любой машины и все технические сооружения.

Источники.

1. Руководство для учителя к комплекту оборудования «NanoSchoolBox» («НаноБокс»).

2. https://www.art-talant.org/publikacii/22666-referat-na-temu-splavy-metallov-s-effektom-pamyati