Устройство и принцип действия прибора

ОПРЕДЕЛЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ НАПРЯЖЕНИЙ В

ПРОЗРАЧНЫХ ТЕЛАХ МЕТОДОМ ФОТОУПРУГОСТИ

Методические указания по выполнению лабораторной работы

№ 94 по курсу «Физика» для студентов инженерно-технических

специальностей

 

Курск 2010

 

УДК 53

 

Составители: Л.А. Желанова, А.А. Родионов

 

Рецензент

Кандидат физико-математических наук, доцент кафедры физики

Т.И. Аксенова

 

Определение механических напряжений в прозрачных телах методом фотоупругости: методические указания по вы­полнению лабораторной работы № 94 по курсу «Физика» для студентов инженерно-технических специальностей / Курск, гос. техн. ун-т; сост.: Л.А. Желанова, А.А. Родионов. Курск, 2010. 7 с. Библи-огр.: с.7.

 

Содержат сведения по изучению строения микроскопа и измерению показателя преломления стекол с помощью микроскопа.

Предназначены для студентов инженерно-технических специальностей дневной и заочной форм обучения.

 

Текст печатается в авторской редакции

 

 

Подписано в печать. Формат 60x84 1/16. Усл.печ.л. 3,13. Уч.-изд.л. 3,37. Тираж 100 экз. Заказ. Бесплатно.

Курский государственный технический университет. Издательско-полиграфический центр Курского государственного технического университета. 305040 Курск, ул. 50 лет Октября, 94.

Цель работы: научиться, используя законы наведенной оптической анизотропии рассчитывать механические напряжения и их распределение в прозрачных телах.

 

Оборудование: полярископ, набор образцов из плексиглаза.

 

Введение

Оптический метод исследования напряжений основан на явлении интерференции поляризованных лучей. Сущность его заключается в том, что некоторые изотропные прозрачные вещества (стекло, целлулоид, плексиглаз) под действием механических напряжений становятся анизотропны­ми, т.е. приобретают свойства двупреломляющих кристаллов. Схема для изучения такой искусственной анизотропии изображена на рис.1.

 

Рис.1

 

Здесь S - источник света; П – поляризатор;

А – анализатор; T - тело, деформируемое силой F;

О_П О_П` - главное направление поляризатора; О<sub>А</sub> О<sub>А</sub>` - главное направление анализатора.

Экспериментально установлено, что разность показателей преломления обыкновенного и необыкновенного лучей n_o - n_e, возникшая в дефор­мируемом образце является мерой возникшей анизотропии и пропорциональ­на давлению Р:

n_o - n_e = kP (1)

где k — коэффициент, характеризующий упругие свойства, подвергнутому механическому воздействию, называется константой фотоупругости.

Разность хода, приобретаемая лучами

δ = (n_o - n_e) d (2)

где d - толщина образца. Из соотношений (1) и (2) получаем:

δ = kPd (3)

Соотношение (3) называют законом фотоупругости.

Обыкновенный и необыкновенный лучи, появившиеся в результате механи­ческой деформации образца Т, поляризованы во взаимно перпендикуляр­ных плоскостях ( ₁ и ₂, рис.1). Анализатор пропускает только сос­тавляющие E_1A и E_2A, параллельные главному направлению анализатора. Так как обыкновенный и необыкновенный лучи являются когерентными, а анализатор пропускает колебания векторов _1А и _2А, совершающиеся в одной плоскости, то вышедшие из анализатора лучи интерферирует. При этом возникает картина в виде цветных полос (при использовании белого света), по характеру которой можно судить о распределении напряжений внутри прозрачного тела. Каждая цветная полоса (изохрома) есть полоса равного напряженного состояния. Оптический метод исследования напряже­ний находит широкое применение в промышленности для исследования нап­ряжений в сложных конструкциях и из непрозрачного материала. Для это­го из прозрачного вещества изготавливает уменьшенную модель изучаемой конструкции и на этой модели исследуют характер и распределение напря­жений.

Общую картину распределения напряжений в теле можно составить только для главных напряжений.

Если к образцу приложить усилие в какой-то точке (рис.2), то при постепенном увеличении силы , мы будем видеть, как в каждой точке интерференционной кар­тины будут последовательно сменяться цвета, а число полос будет увеличиваться. Смену цветов можно объяснить, если учесть соотношение (3) и то, что величина разности хода, удовлетворяющая условию максимума, зависит от

Рис. 2 длины волны.

Считают, что I зеленый цвет завершает смену цветов одного цикла, второй зеленый - смену цветов второго цикла и т.д. Следовательно, порядок полосы зеленого цвета может быть использован для определения величины напряжения. Напряжение, вызывающее зеленую окраску любого порядка пря­мо пропорционально второму порядку. Используя шкалу цветов для данного вещества (рис. 3), и определив порядок зеленой полосы изохроматической картины, можно определить напряжение, соответствующее данной полосе.

Порядок полосы надо отсчитывать от места с минимальным напряжением. То место модели, в которон полоса зеленого цвета появится позже (при постепенном увеличении силы , рис. 2) и будет местом с минимальным напряжением.

 

Рис. 3

 

Устройство и принцип действия прибора

В качестве поляризованной установки используется полярископ. Его оптическая схема представлена на рис.4. Пучок света от источника 1, пройдя конденсор 3, зеркало 4 и поля­ризатор 5, выходит из последнего плоско-поляризованным. Затем, пройдя кварцевую пластинку 6, линзы 7, листовое стекло 8, свет попадает на образец из прозрачного вещества, помечаемый между матовым стек­лом и нанализатором 9. В образце поляри­зованный свет испытывает двойное лучепреломление. Плоскости колебаний вектора обыкновенного и необыкновенного лучей взаимно перпендикулярны и сдвинуты по фа­зе на большую или меньшую величину в зависимости от напряжения и пути луча в образце. Анализатор приводит колебания вектора обеих лучей в одну плоскость, в результате чего происходит интерференция

Рис. 4 лучей. Наблюдатель через анализатор видит картину характерную для того или иного напряжения. Так как разность хода, дава­емая испытуемым образцом невелика, используется кварцевая пластинка 6. Ока увеличивает разность хода обеих лучей. Без кварцевой пластинки чувствительность полярископа ниже и при малых деформациях образца наблюдается только большее или меньшее просветление наблюдаемого поля зрения.

Порядок выполнения работы

1. Образец I ставят в зажим для сжатия, слегка зажимают и приводят в поле зрения под анализатором.

2. Включают лампу осветителя нажатием кнопки на столике полярископа.

3. Вращая зажим с образцом вокруг вертикальной оси, находят положение, при котором получается наиболее яркая картина в поле зрения.

4. Увеличивая сжатие, наблюдают за изменением картины полос. При появлении 3-й зеленой полосы прекращают увеличение сжатия.

5. Определяют порядок зеленой полосы и напряжение, соответствующее каждой зеленой полосе (по шкале цветов).

6. Зарисовывают интерференционную (изохроматическую) картину цветными карандашами.

7. Ставят в зажим образцы 2, затем 3 и, наблюдая изохромы, повторяют пункты 3, 4, 5 и 6.

 

Контрольные вопросы:

1. Двойное лучепреломление.

2. Поляризация света. Поляризатор и анализатор.

3. Искусственная анизотропия.

4. Интерференция поляризованных лучей.

5. Закон фотоупругости и его использование для изучения механических напряжений.

6. Устройство и принцип действия полярископа.

 

Библиографический список

1. Савельев И.В., Курс физики. М.: 2006. Т.2. с. 419-436

2. Детлаф А.А., Яровский Б.М. Курс физики. М.: 2003. с. 464-476

 

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: