Kodėl ištempta guminė juosta atšoka atgal?
Trumpas atsakymas: Ištempta guminė juosta atšoksta atgal, nes jos gumos molekulės nori grįžti į atsipalaidavusią, susisukusią formą. Tempimas juostoje kaupia energiją; atleidus, ta sukaupta energija stumia juostelę atgal į trumpesnę formą.
Paprasčiau tariant
Guma sudaryta iš ilgų, minkštų molekulių, vadinamų polimerais. Atsipalaidavusioje juostoje šios polimerų grandinės yra susipynusios ir susisukusios. Tempiant juostą, grandinės išsilygina ir juosta kaupia energiją kaip ištempta spyruoklė.
Juosta atplyšta, nes grandinės nori grįžti į savo susisukusią būseną. Šis grįžimas stumia gumą atgal į pradinį ilgį. Dalis sukauptos energijos, jai atplyšus, virsta judesiu ir garsu.
Šiek tiek energijos gumos viduje taip pat virsta šiluma. Per didelis tempimas arba sena guma gali sulūžti, o ne gerai atsigauti, nes molekulės yra pažeistos arba per silpnos, kad atsitrauktų.
Kaip tai veikia moksliškai
Įvardyti dėsniai / principai: Poveikis/Dėsnis: Entropinis elastingumas (mažiems tempimams taikomas Huko dėsnis).
Guminės juostos sudarytos iš susiūtų polimerinių grandinių. Ramybės būsenoje šios grandinės yra išsidėsčiusios atsitiktinai, susisukusios. Tempimas verčia grandines į labiau tvarkingas, ištemptas formas, o tai sumažina jų entropiją (netvarkos matą).
Medžiaga priešinasi šiam netvarkos praradimui; grandinių šiluminis judėjimas sukuria atkuriamąją jėgą, kuri tempia juostą atgal, kad vėl padidėtų entropija. Tempimo metu įnešta energija kaupiama kaip elastinė potencialinė energija ir išsiskiria kaip judėjimas, garsas ir nedidelis šilumos kiekis, kai juosta atšoksta. Mažiems tempimams jėga gali atrodyti maždaug proporcinga tempimo stiprumui, todėl Huko dėsnis (jėga proporcinga pailgėjimui) kartais atrodo veikiantis.
Tačiau tikroji gumos traukimo priežastis dažniausiai yra entropija, o ne paprastas elastingumas .
Kaip mes tai žinome: Eksperimentai, kuriais matuojama jėgos ir tempimo priklausomybė, ir paprasti šilumos matavimai rodo, kad guma įkaista arba atvėsta tempiant ir atleidžiant, o tai atitinka polimerų entropinį modelį .
Kur tai pastebėsi
- Guminės juostos mėtymas popieriniam lėktuvėliui ar mažam daiktui paleisti
- Elastinė drabužių juosmens juosta, kuri atsitraukia ją patraukus
- Plaukų segtukas, kuris grįžta į pradinę formą jį nuėmus
- Elastinės virvelės ant batuto, kurios atitraukia kilimėlį
Eksperimentas
Pajuskite karštį ir spragtelėjimą
Sauga: Laikykite gumines juostas atokiau nuo veido ir akių; jei jos stipriai spragteli, dėvėkite apsauginius akinius; rekomenduojama suaugusiųjų priežiūra.
Priemonės
- kelios guminės juostos
- liniuotė
- mažas termometras (nebūtina)
- audinys arba delnas
Žingsniai
- Pasirinkite guminę juostelę ir liniuote išmatuokite jos atsipalaidavusio ilgio.
- Laikykite ją ištemptą tarp dviejų pirštų, maždaug dvigubai ilgesnę už atsipalaidavusio ilgio ilgį, ir palaikykite taip 10 sekundžių.
- Atsargiai atleiskite juostelę ir stebėkite arba pajuskite, kaip ji spragteli. Jei naudojate termometrą, prieš ir po tempimo palieskite ja juostelę, kad patikrintumėte temperatūros pokytį.
- Pakartokite su skirtingu tempimo laipsniu ir pastebėkite spragtelėjimo ir šilumos skirtumus. Ką tai rodo: Tempimas kaupia energiją, o juosta spragteli, kartais šiek tiek sušildama.
Naudingi terminai
- Entropija: Matas, rodantis, kiek kažkas yra sujaukta arba netvarkinga; didesnė entropija reiškia daugiau netvarkos.
- Polimeras: Ilga grandinės pavidalo molekulė, sudaryta iš pasikartojančių dalių; guma dažniausiai yra polimerai.
- Elastingumo potencialinė energija: Energija, kaupiama objekte, kai jis tempiamas arba suspaudžiamas.
- Huko dėsnis: Taisyklė, teigianti, kad paprastų spyruoklių jėga yra proporcinga tempimui (veikia tik esant nedideliam tempimui).
Vaikai klausia
Kodėl guminė juosta kartais po tempimo jaučiasi šilta?
Dėl vidinės trinties ir entropijos pokyčių, kai grandinės persitvarko, dalis sukauptos energijos tampa šiluma.
Kodėl guminės juostos lūžta, o ne atšoka?
Jos lūžta, jei per daug ištemptos, jei yra senos arba jei saulės spinduliai / cheminės medžiagos susilpnino gumą.
Ar tempimas yra panašus į metalinės spyruoklės?
Ne visai – metalinės spyruoklės kaupia energiją ištemptuose ryšiuose, o guma dažniausiai naudoja grandinės netvarkos (entropijos) pokyčius, nors nedideli tempimai gali atrodyti kaip Huko dėsnis.