УЧЕБНЫЙ ПРИБОР ДЛЯ ДЕМОНСТРАЦИИ ПОРИСТОСТИ И СЖИМАЕМОСТИ МАТЕРИАЛОВ

Полезная модель относится к учебным и наглядным пособиям, в частности, по теории упругости, сопротивлению материалов, строительной технике, и может быть использовано в учебном процессе вузов.
Известна учебная модель для демонстрации ползучести материала, содержащая емкость с вязкой жидкостью и размещенный в жидкости поршень, связанный штоком с упругим элементом, средство управления гидродинамическим сопротивлением поршня, емкость закрыта герметичной крышкой с центральным отверстием для прохождения штока, а в поршне выполнены отверстия для перетекания жидкости из предпоршневой в запоршневую емкость (Авторское свидетельство СССР №1444868, кл. G09В 23/06, 1988).
К недостаткам данной установки относится то, что она не позволяет наблюдать пористость и сжимаемость реальных низкомодульных материалов, а также наглядно сравнивать результаты для образцов из разных материалов.
Известен учебный прибор для демонстрации объемной ползучести материалов, содержащий емкость с жидкостью, средство для изменения давления в емкости, сменный образец из низкомодульного материала, расположенный в емкости, капиллярную трубку с манометром, связанную с емкостью и средством для изменения давления, линейку для измерения столбца жидкости в капиллярной трубке (Патент РФ №2029992, кл. G09В 23/06, 1995).
К недостаткам учебного прибора относится то, что он только моделирует процесс ползучести и не позволяет наблюдать непосредственно пористость и сжимаемость реальных низкомодульных материалов, а также наглядно сравнивать результаты для образцов из разных материалов.
Цель изобретения - расширение наглядности и достоверности изучаемого процесса.
Для этого в учебный прибор для демонстрации пористости и сжимаемости материалов, содержащий емкость с жидкостью, средство для изменения давления в емкости, сменный образец из низкомодульного материала, расположенный в емкости, капиллярную трубку с манометром, связанную с емкостью и средством для изменения давления, линейку для измерения столбца жидкости в капиллярной трубке, введен второй сменный образец из низкомодульного материала, помещенный в тонкую эластичную герметичную оболочку, расположенный в дополнительной емкости, которая через дополнительную капиллярную трубку соединена со средством для изменения давления, обе емкости помещены в сосуд, подсоединенный своей капиллярной трубкой к средству для изменения давления, причем объемы жидкостей в сосуде и каждой емкости одинаковы, а в основной емкости размещена такая же тонкая эластичная герметичная оболочка, как и в дополнительной емкости.
Существенные отличия и новизна заключаются в том, что введен второй сменный образец из низкомодульного материала, помещенный в тонкую эластичную герметичную оболочку, расположенный в дополнительной емкости, которая через дополнительную капиллярную трубку соединена со средством для изменения давления, обе емкости помещены в сосуд, подсоединенный своей капиллярной трубкой к средству для изменения давления, причем объемы жидкостей в сосуде и каждой емкости одинаковы, а в основной емкости размещена такая же тонкая эластичная герметичная оболочка, как и в дополнительной емкости.
Анализ известных технических решений (аналогов) в исследуемой области и смежных областях позволяет сделать вывод об отсутствии в них признаков, сходных с существенными отличительными признаками в заявленном устройстве.
На чертеже (фиг.1) показан учебный прибор.
Учебный прибор включает в себя две одинаковые по объему емкость 1 и дополнительную емкость 2, подсоединенные через капиллярные стеклянные трубки 3 и 4 и манометр 5 к одному источнику давления. В емкость 1 размещен сменный образец 6 из низкомодульного материала и тонкая эластичная герметичная оболочка 7, а в дополнительной емкости 2 размещен второй сменный образец 8 из низкомодульного материала, помещенный в тонкую эластичную герметичную оболочку 9, причем образец 6 и 8 одинаковой геометрии из одного материала. Емкости 1 и 2 с образцами 6 и 8 помещают в сосуд 10, подсоединенный своей капиллярной стеклянной трубкой 11 к тому же источнику давления, что и емкости 1 и 2, причем объемы жидкостей в сосуде и каждой емкости одинаковы. Около капиллярных трубок 3, 4 и 11 на корпусе сосуда 10 закрепляется линейка 12.
Учебный прибор работает следующим образом. Сменный образец 8 из низкомодульного материала помещают в тонкую эластичную герметичную оболочку 9 так, чтобы там не было воздуха, и устанавливают в дополнительную емкость 2. В емкости 1 размещают сменный образец 6 из низкомодульного материала и тонкую эластичную герметичную оболочку 7. Емкости 1 и 2 помещают в сосуд 10, подсоединяют капиллярные стеклянные трубки 3, 4 и 11. Емкость 1 совместно с капиллярной трубкой 3, дополнительную емкость 2 совместно с капиллярной трубкой 4 и сосуд 10 совместно с капиллярной трубкой 11 заполняют равными объемами жидкости до верхних видимых срезов капилляров 3, 4 и 11. К верхним концам капиллярных трубок 3, 4 и 11 стыкуют манометр 5 с источником давления, заправленный жидкостью другого цвета. Источником давления задают необходимое давление, которое по стеклянным капиллярным трубкам 3, 4 и 11 передается жидкостям в емкости 1, дополнительной емкости 2 и сосуде 10. Под действием давления жидкости в емкости 1 образец 6, в дополнительной емкости 2 образец 9 и сосуде 10 жидкость будут деформироваться, в результате границы между жидкостями, находящимися в емкостях 1 и 2, сосуде 10 и жидкостью, находящейся в источнике давления, в капиллярных стеклянных трубках 3, 4 и 11 опустятся
вниз. Изменение объема в емкости 1 при заданном давлении подсчитывается по формуле:
1
сж.об1
пор.об1
сж.ж1
ΔV=ΔV+ΔV+ΔV,
сж.об1
где ΔV - изменение объема, вызванного сжимаемостью образца 6;
пор.об1
ΔV - изменение объема, вызванного пористостью образца 6;
сж.ж1
ΔV - изменение объема, вызванного сжимаемостью рабочей жидкости.
Изменение объема в дополнительной емкости 2 при заданном давлении подсчитывается по формуле:
2
сж.об2
сж.ж2
ΔV=ΔV+ΔV,
сж.об2
где ΔV - изменение объема, вызванного сжимаемостью образца 8;
сж.ж2
ΔV - изменение объема, вызванного сжимаемостью рабочей жидкости.
Учитывая, что образцы 6 и 8 с одинаковой геометрией и материалом, объемы емкостей 1 и 2 равны, следовательно равны и объемы рабочих жидкостей в них, получаем изменение объема, вызванного пористостью при заданном давлении:
п
1
2
сж.об1
пор.об1
сж.ж1
сж.об2
сж.ж2
пор.об1
ΔV=ΔV-ΔV=ΔV+ΔV+ΔV-ΔV-ΔV=ΔV
По линейке 12 снимаются отсчеты в капиллярных трубках 3, 4 и 11, зная геометрию образцов 6 и 8 и величину давления по манометру 5, можно определить пористость материала, из которого изготовлены образцы 6 и 8, а также сжимаемость этого материала:
сж
2
3
сж.об2
сж.ж2
сж.ж3
сж.об2
ΔV=ΔV-ΔV=ΔV+ΔV-ΔV=ΔV
сж.об2
где ΔV - изменение объема, вызванного сжимаемостью образца 8;
cж.ж2
ΔV - изменение объема, вызванного сжимаемостью рабочей жидкости;
сж.ж3
ΔV - изменение объема, вызванного сжимаемостью рабочей жидкости в сосуде 10.
В результате имеем возможность прямого визуального наблюдения явления пористости реального образца, а также его сжимаемость и сжимаемость рабочей жидкости в капилляре 11 при заданном давлении. Эти явления можно демонстрировать при любых заданных давлениях для любых низкомодульных материалов.
Предлагаемый учебный прибор существенно расширяет дидактические возможности и наглядность при изучении явления пористости и сжимаемости низкомодульных материалов, а также сжимаемости жидкости, обеспечивает реальность наблюдаемого процесса, возможности его измерения и исследования.