Фотоупругий эффект
Явление двойного лучепреломления при механической деформации было открыто Зеебеком (1813 г.) и Брюстером (1815 г.). В случае одностороннего сжатия или растяжения, например вдоль MN (рис. 6.7), это направление становится выделенным и играет роль оптической оси. Оптические свойства деформированного таким образом тела соответствуют свойствам одноосного кристалла. Показатели преломления nе и nо, соответствующие колебаниям, совершаемым вдоль направления MN и перпендикулярно к нему, максимально отличаются друг от друга.
Рис. 6.7. Схема расположения приборов для наблюдения двойного лучепреломления при деформациях.
Схема опыта для изучения искусственной анизотропии одинакова со схемой, применяемой при наблюдении двойного луче-преломления в кристаллах (см. рис. 6.7); конечно, главные плоскости поляризаторов N1и N2 должны составлять угол (лучше всего 45°) с «осью» тела.
Опыт показывает, что разность nо-nе, являющаяся мерой анизотропии, пропорциональна величине напря-жения Р=F/S=F/lh, т.е. величине силы, приходящейся на единицу площади:
nо-nе=кР, (8)
где к-константа вещества.
Разность хода, приобретаемая лучами при прохождении слоя вещества толщины l, равна
δ=l(по-nе)=кРl; (9)
выражая, как часто делают, разность хода в длинах волн, найдем
δ1=δ/λ=кРl/λ=CPl (10)
где С = к/λ - величина, характеризующая вещество.
Разность показателей преломления nо-nе может быть положительной и отрицательной в зависимости от материала. Кроме того, nо и nе зависят от длины волны (дисперсия двойного лучепреломления), вследствие чего при наблюдении в белом свете искусственно анизотропное тело при скрещенных поляризаторах оказывается пестро окрашенным. Распределение окраски может служить хорошим качественным признаком распределения напряжений; кроме того, возникновение окрашенных полей оказывается более чувствительным признаком проявления анизотропии, чем простое просветление, имеющее место при монохроматическом свете.
Регистрация искусственной анизотропии является очень чувствительным методом наблюдения напряжений, возникающих в прозрачных телах. Его с успехом применяют для наблюдения за напряжениями, возникающими в стеклянных изделиях (паянных и прессованных), охлаждение которых производилось недостаточно медленно. К сожалению, громадное большинство технически важных материалов непрозрачно (металлы), вследствие чего этот прием к ним непосредственно не приложим. Однако в последнее время получил довольно широкое распространение оптический метод исследования напряжений на искусственных моделях из прозрачных материалов (целлулоид, ксилонит и т. д.). Приготовляя из такого материала модель (обыкновенно уменьшенную) подлежащей исследованию детали, осуществляют нагрузку, имитирующую с соблюдением принципа подобия ту, которая имеет место в действительности, и по картине между скрещенными поляризаторами изучают возникающие напряжения, их распределение, зависимость от соотношения частей модели и т. д. Хотя приводимые выше эмпирические закономерности, связывающие измеренную величину nо-nе и величину напряжения Р, позволяют в принципе по оптической картине заключить о численном распределении нагрузки по модели, однако практическое осуществление таких численных расчетов крайне затруднительно. Несмотря на ряд усовершенствований и в методике расчета, и в технике эксперимента, настоящий метод имеет главным образом качественное значение. Однако и в таком виде он дает в опытных руках довольно много, сильно сокращая предварительную работу по расчету новых конструкций. В настоящее время имеется уже обширная литература, посвященная применениям этого метода.