Известно, к каким убыткам приводит разрушение материалов, вызванное механическими напряжениями. Предупредить разрушение зачастую удается путем предварительного испытания на прочность опытных образцов деталей, изготовленных из того или иного материала. В этих испытаниях образец доводится до разрушения, при этом определяются величины разрушающих напряжений. В условиях же эксплуатации идентичных деталей необходимо следить, чтобы эти величины не достигались. Но можно поступить иначе — изготовить модель детали из прозрачной пластмассы или другого сходного (изотропного) материала и исследовать ее поляризационно-оптическим методом, позволяющим получить картину распределения напряжений в детали.
Ф. Сьюферт из Кливленда показал, как он исследует напряжения в разных деталях поляризационно-оптическим методом. Сначала изготавливается модель детали из пластмассы лексан или туффак толщиной около 3,5 мм. Если деталь большая, то исследуется ее уменьшенная модель. Модель закрепляется в деревянной рамке и подвергается действию сил, имитирующих напряжения в реальной детали. Усилия создаются резиновыми жгутами или металлическими винтами. Последние предпочтительней, поскольку их можно затягивать медленно, тем самым легче контролировать прикладываемую силу.
Модель помещается перед поляризационным светофильтром и освещается 200-ваттной лампой, закрытой матовым стеклом. Между моделью и фотоаппаратом (зеркальным, с одним объективом, 35-миллиметровая пленка) устанавливается длинная бленда, сделанная из картона. На объектив надевается телеконвертор Виватар 2Х без линз. Телеконвертер служит тубусом, отдаляющим объектив от фотоаппарата; вместо него можно взять любой другой подходящий тубус. Съемка производится 135-миллиметровым телеобъективом с относительным отверстием 1:2,5.
На объектив насаживаются второй поляризационный светофильтр и слабый синий светофильтр (марки 80А). Фотоаппарат неподвижно закрепляется на столике от штатива треножника, прикрепленном к фанерной доске. Перед съемкой первый поляризационный фильтр поворачивают так, чтобы его ось поляризации была под углом 45° к вертикали. Затем пластмассовую модель устанавливают перед фильтром и включают лампу. Выполняющий съемку, смотря в видоискатель, поворачивает второй поляризационный фильтр (на объективе), пока на изображение модели не на ложится четкая картина полос.
Фотографирование производится нажатием на проволочный тросик, при этом также включается электронная лампа-вспышка, установленная рядом с осветительной лампой. Дополнительная подсветка необходима для получения качественного снимка. Сьюферт пользуется цветной негативной пленкой Фуджи (ASA 100). Цветные полосы на полученных снимках выявляют распределение напряжений в пластмассовых моделях. При этом четко выделяются области максимальных напряжений, т. е. те участки, где разрушение материала наиболее вероятно.
Первый поляризационный фильтр в системе Сьюферта поляризует свет. Пройдя через деформированную модель, поляризованный свет несет в себе информацию о напряжениях в ней. Второй поляризационный фильтр (насадка на объективе), «расшифровывая» эту информацию, делает видимой картину распределения напряжений. На верхней иллюстрации изображен очень малый тонкий элемент нагруженной модели, исследуемой поляризационно-оптическим методом. По периметру этого элемента приложены (перпендикулярно) растягивающие усилия. Кроме того, выделенный элемент испытывает напряжения сдвига, так как материал, находящийся по разные стороны от него, стремится к сдвигу в противоположных направлениях.
Таков характер напряжений в произвольно выбранном элементе. Картина упростится, если выделить иначе ориентированный квадратный элемент в данной области. Новый элемент отличается тем, что имеет две важные оси, называемые осями главных напряжений. Преимущество такого выбора элемента в том, что на его границах нет напряжений сдвига. Имеются только напряжения, перпендикулярные его краям. Ориентация осей главных напряжений и выявляется на снимках нагруженной модели, сделанных в поляризованном свете. Чтобы понять метод, используемый Сьюфертом, необходимо уяснить себе природу поляризованного света.
Согласно классической физике, свет—это электромагнитные волны. Особенность этих волн в том, что мы не можем видеть волновое движение. Иное дело — волны на воде; это явление, зрительно воспринимаемое как колебания поверхности воды, кажется нам понятным. В световой же волне мы имеем дело с колебаниями незримых и неосязаемых электрических и магнитных полей. Поляризация света определяется электрическими составляющими волны. Электрическое поле в данной точке можно представить вектором определенной длины и направления. Такое представление облегчает анализ поведения заряженной частицы, помещенной в данную точку. С помощью векторов можно также описать световую волну.
