LABOLATORIUM MECHANIKI DOŚWIADCZALNEJ |
||
METODA „CAUSTICS” |
||
Data: 20.03.1997 |
Kubicki Tomasz gr.21 |
|
W metodzie „caustics” wykorzystywane jest zjawisko zmian własności optycznych ciała pod wpływem wywołanych w nim naprężeń, zmianie następuje też grubość tego ciała (na skutek efektu Poisson'a). W próbce, oświetlonej wiązką światła równoległego, na skutek koncentracji naprężeń wokół wierzchołka szczeliny, zbliżając się w kierunku wierzchołka, grubość próbki maleje, a załamanie zwiększa się. Tak więc promień świetlny przechodzący przez próbkę bliżej wierzchołka szczeliny ulega większemu ugięciu na zewnątrz od wierzchołka szczeliny.Konsekwencją czego jest pojawienie się na ekranie, w odległości z0 od próbki, ciemnej powierzchni otoczonej przez obraz silnej koncentracji światła. Schemat stanowiska do przeprowadzania badań metodą „caustics” wygląda następująco:
źródło światła (laser),
Beam-Expander, dający równoległą wiązkę światła o średnicy 30 mm,
ekran,
ława optyczna,
badana próbka z PMMA,
obciążenie próbki (rozciągające).
Badaniom poddaliśmy próbkę o grubości d = 5,7mm . Wykonaną z tworzywa izotropowego.
Przebieg próby:
-mocujemy próbkę na przygotowanej ramie,
-obciążamy badaną próbkę pewnym ciężarem (nie przekraczającym wartości maksymalnej przenoszonej przez daną próbkę) i notujemy go,
-przepuszczamy przez badaną próbkę wiązkę światła,
-dokonujemy pomiaru średnicy krzywej „caustics”, na ekranie
mierzymy odległość pomiędzy próbką a ekranem.
W czasie doświadczenia zmieniamy trzykrotnie obciążenie badanej próbki, mierząc średnicę krzywej w trzech odległościach (dowolnych) próbki od ekranu.
Wyniki otrzymane podczas doświadczenia zawiera poniższa tabela.
lp. |
masa obciąż. |
pomiar 1 |
pomiar 2 |
pomiar 3 |
|||
|
w [kg] |
zo [m] |
D [mm] |
zo [m] |
D [mm] |
zo [m] |
D [mm] |
1 |
3,495 |
1,9 |
6,4 |
2,2 |
6,85 |
2,5 |
7,4 |
2 |
5,435 |
1,6 |
6,95 |
2,0 |
7,9 |
2,5 |
8,6 |
3 |
7,405 |
1,5 |
7,7 |
2,0 |
9,0 |
2,5 |
9,6 |
Obliczam współczynnik intensywności naprężeń K1 dla każdej serii pomiarów korzystając ze wzoru:
z0 - odległość ekranu od próbki,
c - cieniowa stała optyczna [ m2/N],
(c = -1,08 10 -10) ,
d - grubość próbki [m] (d = 0,0057 m.),
D - średnica krzywej „caustics” [m],
Wyniki obliczeń współczynnika intensywności doświadczalnego i teoretycznego zestawione są w poniższej tabeli:
lp |
Siła (obciąż.) [N] |
Wartość doświadczalna K1 [ MPa ] |
Wartości teoretyczne K1 |
Błąd [%] |
|||||
|
|
pomiar 1 |
pomiar 2 |
pomiar 3 |
wart. śred. |
[MPa ] |
|
||
1 |
34.285 |
0.2615 |
0.2677 |
0.2857 |
0.2716 |
0.1713 |
10.03 |
||
2 |
53.317 |
0.3816 |
0.4206 |
0.41607 |
0.40609 |
0.2664 |
13.94 |
||
3 |
72.643 |
0.526 |
0.5826 |
0.5477 |
0.5521 |
0.363 |
18.91 |
Błędy (różnice) w wartościach współczynnika intensywności naprężeń otrzymanych doświadczalnie i drogą teoretyczną spowodowane są: nierównoległością wiązki, niedokładnym pomiarem odległości pomiędzy próbką a ekranem (dokładność do 1 cm) oraz dość nieprecyzyjnym pomiarem „średnicy” krzywej „caustics” na ekranie. Wartość K1 zależy od geometrii próbki oraz siły obciążającej. Przeprowadzone doświadczenie pozwala na określenie K1 dla materiałów poddawanych sile rozciągającej. Próbka była wykonana z materiału izotropowego.