POLITECHNIKA CZĘSTOCHOWSKA

WYDZIAŁ BUDOWNICTWA

SAMODZIELNY ZAKŁAD WYTRZYMAŁOŚCI MATERIAŁÓW

Ćwiczenia laboratoryjne nr 9

TEMAT: Modelowe badania elastooptyczne.

DANE STUDENTA:

Magdalena Duszyńska
Budownictwo
Grupa 2
Studia Dzienne

Rok Akad. 2010/2011

1.CZĘŚĆ TEORETYCZNA.

Elastooptyka to zespół metod doświadczalnych do badań stanu naprężeń i odkształceń w ciałach bezpostaciowych, normalnie izotropowych (m.in. szkliwa, polimery, celuloid), wykazujących pod obciążeniem właściwości anizotropowe, przejawiające się m.in. dwójłomnością optyczną. Pod wpływem naprężeń materiały te nabierają cech optycznych kryształu jednoosiowego o osi optycznej skierowanej równolegle do kierunku rozciągania lub ściskania i przy oświetleniu światłem spolaryzowanym, w wyniku zjawiska dwójłomności następuje rozszczepienie światła na dwie składowe i pojawienie się prążków interferencyjnych, tworzących dwa charakterystyczne rodzaje linii: izokliny i izochromy. Na ich podstawie możliwe jest wyznaczenie naprężeń w dowolnym punkcie ciała. Elastooptykę stosuje się głównie do badania naprężeń w częściach maszyn o skomplikowanych kształtach; wykonuje się ich modele z materiału o właściwościach elastooptycznych i poddaje obciążeniom analogicznym do rzeczywistych. Elastooptykę wykorzystuje się także do wykrywania szkodliwych naprężeń w przedmiotach szklanych i do badania struktur polimerów.

Zwykle płaski model badanego obiektu, wykonany z materiału przeźroczystego, izotropowego i wykazującego własności wymuszonej anizotropii optycznej umieszcza się w tak zwanym polaryzatorze, gdzie odpowiednio się go obciąża i przepuszcza przez niego strumień spolaryzowanego światła. Rezultatem jest obraz izoklin i izochrom związanych ze stanem naprężeń i ich rozkładem. [1]

Izokliny - w elastooptyce jest to rodzaj prążków interferencyjnych będące miejscami geometrycznymi punktów, w których kierunki główne stanu naprężenia są odpowiednio równoległe do wzajemnie prostopadłych przynależnych danemu prążkowi kierunków. Izoklina jest miejscem geometrycznym punktów, w których kierunki naprężeń głównych są jednakowe.

Izochrom - w elastooptyce miejsce geometryczne punktów (tworzące linie) o stałej wartości różnicy naprężeń głównych. [1]

Zalety i wady elastooptyki.

1. zalety

• możliwość prowadzenia badań nad modelami o bardzo złożonym kształcie i sposobie obciążeń

• możliwość szybkiej, jakościowej oceny wpływu zmian ukształtowania i obciążenia badanego obiektu na stan naprężenia, przez stosunkowo łatwe modyfikacje pierwotnych rozwiązań

• bardzo dobra poglądowość wyników

2. wady

• konieczność transponowania wyników otrzymanych na modelach na obiekty rzeczywiste

• dokładna i staranna interpretacja wyników w przypadku badań o charakterze ilościowym dla całych pół naprężeń. [2], [5]

2. POLARYZACJA ŚWIATŁA, DWÓJŁOMNOŚC.

Światło monochromatyczne (charakteryzujące się jedną długością fali) niespolaryzowane daje się w odpowiednich warunkach całkowicie spolaryzować.

Światło białe (lub mieszane), które składa się z fal o różnych długościach nie daje się nigdy spolaryzować całkowicie.

Światło rozchodzi się w próżni z większą prędkością niż w ośrodku przezroczystym. Stosunek obu tych prędkości (większy od jedności) zwany jest bezwzględnym współczynnikiem załamania. W odróżnieniu od niego (zwykły) współczynnik załamania jest stosunkiem prędkości rozchodzenia się światła w dwóch różnych ośrodkach.

Istnieją materiały charakteryzujące się anizotropią optyczną zwaną dwójłomnością. W takich

materiałach współczynnik załamania, a tym samym i prędkość światła, zalezą od kierunku wektora padającego światła.

Dwójłomność ciał izotropowych optycznie, powstająca pod wpływem sił wewnętrznych w ośrodkach pierwotnie izotropowych optycznie, nazywamy dwójłomnością wymuszoną.W elastooptyce wykorzystuje się światło monochromatyczne. Wektor światła drga w płaszczyźnie prostopadłej do kierunku rozchodzenia się światła a kierunek tych drgań jest - w ogólności - dowolny. Często jednak mamy do czynienia z uporządkowaną orientacją drgań. Mówimy wówczas o świetle spolaryzowanym. [3]

2.1. Polaryskopy.

Polaryskop - urządzenie umożliwiające;:

• otrzymywanie światła spolaryzowanego liniowo lub kołowo

• prześwietlanie odpowiednio obciążanych modeli z optycznie czułych

materiałów

• obserwowanie, rejestrowanie i analizowanie występujących zjawisk

świetlnych w postaci prążków interferencyjnych [4]

2.1.1 Polaryskop liniowy:

• składa się z dwóch filtrów polaryzacyjnych liniowych ustawionych jeden za

drugim równolegle do siebie i prostopadle do padającego światła

• filtr znajdujący się bliżej źródła światła nazywa się polaryzatorem

• filtr znajdujący się dalej od źródła światła nazywa się analizatorem

• urządzenie umożliwia dowolne ustawienie kąta β między osiami polaryzatora

i analizatora [4]

a_p - amplituda drgań światła spolaryzowanego liniowo przez polaryzator

Amplituda drgań świetlnych spolaryzowanych liniowo po przejściu przez analizator wynosi:

(1)

Rys.1. Schemat polaryskopu liniowego. [2]

2.1.2 Polaryskop kołowy:

• powstaje z polaryskopu liniowego przez uzupełnienie go dwoma ćwierćfalówkami wstawionymi równolegle między filtry polaryzacyjne

• jeden filtr ćwierćfalowy wchodzi do zespołu polaryzatora, a drugi do zespołu analizatora

• ponieważ właściwości ćwierćfalówek są ściśle związane z długością fali, w polaryskopie kołowym może być używane tylko światło monochromatyczne

• osie optyczne ćwierćfalówek muszą być ustawione pod kątem 45° w stosunku do osi polaryzatorów. [2], [4]

Rys.2. Schemat polaryskopu kołowego. [2]

5. Bibliografia.

1. Banasiak M.,  Ćwiczenia laboratoryjne z wytrzymałości materiałów   PWN 2000r

2. Niezgodziński M., Niezgodziński T., Wytrzymałość materiałów

3. www.wikipedia.pl

4. http://student.agh.edu.pl/~holyman

5. www.limba.wil.pk.edu.pl

---