KEY EXPERIMENTS FROM THE 2000 NATIONAL EDUCATORS WORKSHOP

In this paper we describe 6 of the 8 experiments presented at the 2000 national educators workshop which will be presented at the ASEE Conference These papers are: 11)) Experiments in Liquid Crystals: Different States and Devices by James V. Masi, Northeast Center for

Telecommunications Technologies, SSpprriinnggffiieelldd,, MMAA 0011110055 2) Lab Manual & Resources for Materials Science, Engineering and Technology on CD-ROM by James A. Jacobs

& Alfred E. McKenney, Norfolk State University, Norfolk, VA 23504 3) Dielectric Behavior of Trichloroethane and Chlorobenzene as a Function of Temperature at 10.1 GHz by J. N.

Dahiya Southeast Missouri State University and J.A. Roberts University of North Texas Denton, Texas 76203 4) Study of the Magnetostrictive Effect by John Marshall, University of Southern Maine 5) Earthquakes, Materials and an Edible Village: An Educational Experiment for High School Students by Neda

Fabris , California State University Los Angeles, Los Angeles CA 90032 6) Twisty Glue Sticks or Torsional Characteristics of Hot Melt All Purpose Glue Sticks by Alan K. Karplus

Department of Mechanical Engineering, Western New England College, Springfield, MA 01119-2684

Page 6.666.1

Experiments in Liquid Crystals: Different States and Devices

James V. Masi Northeast Center for Telecommunications Technologies

Springfield, MA 01105

Abstract A thermotropic liquid crystalline state occurs in certain materials, in a temperature region between the solid and liquid (isotropic) states. The material in this region possesses some properties of both liquids and solids. The anisotropies of this liquid crystal (L.C.) material gives it some of the most interesting, beautiful, and useful devices, challenged only by nature itself. This set of five experiments shows the electrical, thermal, magnetic, optical, and mechanical properties and anomalies responsible for the useful effects and devices resultant from these materials. From soap to thermometers, from displays to filters, from acoustic to non-linear devices, liquid crystals and the experiments one can easily do will make this experience a useful and entertaining one. Demonstrations, hands-on tests, and samples will be included in these experiments . Key Words: Liquid crystals, displays, thermotropic, nematic, liquid crystal polymers. Prerequisite Knowledge: The student should be familiar with the basics of materials science, metallography, and chemistry. Levels at which these experiments are performed are second semester junior year and either semester senior year. The students are first given lectures the properties of materials including organic liquid crystals and polymer liquid crystals (PLCs). They should have already had a laboratory experiment on metallography and sample preparation. I. Objectives The objectives of these experiments are to show how the unique properties of liquid crystals lend themselves to applications involving thermal, electrical, magnetic, and optical properties and how they are incorporated in a variety of devices. These experiments contain all of the elements of good design, with the caveat that a novelty in structure is sometimes a part of design. The students learn the process of designing materials for the world of telecommunications, analyze those already used, and suggest possible solutions to the problems involved with present technology. II. Equipment and Supplies (1) Metallurgical preparation and polishing apparatus (eg. Buehler Co., Port Washington, NY).

Page 6.666.2

(2) Varieties of liquid crystal chemicals (Roche Chemical Div., Hoffmann-LaRoche Inc., Nutley, NJ; Baker Chemical, Licristal Materials.)

(3) Low voltage 60Hz power supply, Polarizers, ¼ wave plates (Edmund Scientific) (4) Miscellaneous graduates, glassware, ovens (Fisher Scientific), (5) Indium-tin oxide coated glass and plastic (Tecknit Corp., Cranford, NJ) (6) Miscellaneous meters and power supplies. (7) Metallurgical microscope (Olympus, Zeiss, etc.). (8) Liquid crystal displays (LCD Planar Optics, Farmingdale, NY) III. Introduction: Liquid Crystal Materials In the process of forming crystalline solids, organic materials (anthracene, camphor, etc.) exhibit long range ordering. Their molecular centers are set on a repetitive lattice. These molecules also have a definable orientation with respect to the rest of the lattice. Usually, when compounds such as these melt, they form an isotropic liquid, losing most of their long range (over two molecules) order and, in large part, any of their orientation properties that they had as a solid. Less than 0.5% of all organic compounds have a range of temperatures and conditions where they exhibit an state which is intermediate to the crystalline solid and the isotropic liquid. This state is called their “liquid crystal” state. Long-range order is maintained for a range of temperatures below the melting point. Compounds such as MBBA (p-methoxybenzilidene p-butyl aniline, an early Schiff Base material), shown in Figure 1, have alternate double and single bonds in a rigid, elongated structure and tend to form liquid crystals.

Figure 1. MBBA Liquid Crystal Material

This particular material, when mixed in eutectic composition with EBBA (p-ethoxybenzilidene p-butyl aniline) form an electrically active material which is a liquid crystal over a range of 0 oC to 55 oC . When an electric field is applied across these materials, they change from clear to milky white. These are called dynamic scattering materials (named after the hydrodynamic turbulence caused by the electric field influence). The resultant properties of these materials and other liquid crystal materials in other classes, such as esters and biphenyls, are quite unusual. The unique properties and the control of the chemistry leading to these properties make these

Page 6.666.3

methods excellent teaching and learning tools. A typical schematic of liquid crystal types is shown in Figure 2. At Western New England College and the Northeast Center for Telecommunications Technologies, laboratories have been developed involving four distinct properties (and chemicals) of liquid crystal materials1. An overview of liquid crystal materials and properties2 is given in the Appendix for use as a pre-lab lecture or as reference for the student and laboratory instructor.

Figure 2. Types of Liquid Crystals and Temperature dependence

IV. Procedure The specific aims of these experiments are to classify the mechanisms of liquid crystal chemistry, optical electric, thermal, and magnetic properties and devices, and to compare the results with theory. There are four experiments that the student should perform. The first is the observation of dynamic scattering in liquid crystals1; the second is a cholesteric color temperature indicating cell; the third is the fabrication and test of a liquid crystal light valve; and the fourth is a color cell produced by using polarization and quarter wave interference1.

Experiment 1: Observation of Dynamic Scattering in Liquid Crystal Cells In the dynamic scattering cell, there is no need for “anchoring” the molecules on either side of the ITO (indium tin oxide) coated glass (see experiment 3). The fabrication procedure is simple, consisting in obtaining indium tin oxide coated glass plates (e.g. Tecknit Corp), Mylar spacers, and epoxy sealers (Figure 3).

Page 6.666.4

Figure 3. Schematic representation of cell construction

Once the cell is filled with the dynamic scattering liquid crystal material and the cell is sealed (see Appendix), the cell is ready for observation and test.

1. Place one of the metered a.c. supply terminals on one of the extended ITO electrodes, and place the other on the electrode of the opposite ITO coated glass.

2. Observe both macroscopically and microscopically, noting visibility vs angle of view. 3. Take observations (photometric if available) and measure either backscatter from

ambient or transmitted light vs voltage. Plot Transmission vs voltage (RMS). 4. The observations are taken to the point where hydronamic turbulence occurs. 5. Observations should correspond roughly to those shown in the Appendix.

Experiment 2. Cholesteric temperature indicating cell This experiment shows the pitch change of the cholesteric L.C. with temperature. 1. Take a clean piece of white polypropylene or polyester plastic (approximately 2 cm. x 4 cm. x 1 mm.) and a piece of clear polyester of the same size. 2. Place a drop of a cholesteric L.C. (e.g. cholesterol nonanoate) onto the white plastic in the center. 3. Take the clear polyester and place it onto the white plastic with the L.C. and seal the edges, making sure to press the L.C. material to a uniform thickness. 4. Take the sealed cell and place it onto a large aluminum block (10 cm. x 10 cm.) along with a surface thermometer (Fisher Scientific) and register the temperature of the block vs. the color of the cholesteric liquid crystal sandwich. 5. Discuss the construction of a wide temperature range L.C. thermometer. Experiment 3. Fabrication and test of a nematic liquid crystal light valve Fabrication of the nematic light valve involves the observation of birefringence change under the influence of an electric field (see Appendix).

Page 6.666.5

1. Construct a light valve with nematic L.C. material as in experiment 1, with the added step of surface alignment on each side of the ITO coated glass (Appendix). 2. After sealing the cell, no macroscopic changes will be noted with the application of 2-4 volts d.c., due to the higher resistivity of the material and the fact that only the director (index of refraction) changes with field application. 3. Now place the cell onto a light table or place a light source behind the cell, and place a polarizer on either side of the cell, either parallel or perpendicular to each other’s axis (Figure 4).

Figure 4. Nematic L.C. Cell

4. Measure transmission vs voltage and transmission vs frequency (signal generator) for this cell. Also measure transmission vs angle of view. 5. Slowly raise the temperature of the cell on a hot plate and observe the nematic to isotropic transition temperature. Allow it to cool and watch the reversal. Experiment 4. Color nematic quarter wave interference cell This experiment shows the other side of birefringence, namely color. 1. Take the cell made in experiment 3, along with its polarizers. 2. Place a quarter wave plate at 45 degrees to the polarizer optic axis on either side of the sandwich and place the assembly on the light table. 3. Turn the light valve “on” (i.e. 3-5 v.d.c.) and observe the color of the cell vs the angle of one of the quarter wave plates as it is rotated. 4. Explain the mechanism responsible for this phenomena. V. Comments These experiments exhibit some of many possible electro-optic and magneto-optic effects in liquid crystals. They demonstrate how to obtain either scattering or birefringence changes, the latter giving optically observable effects when the cell is placed between polarizers.

Appendix: Liquid Crystals 2

Anisotropy Page 6.666.6

Although the properties of its constituent molecules are usually anisotropic, a normal liquid exhibits isotropic behavior due to spatial and temporal averaging and best-fit charge compensation. In a liquid crystal, orientational order exists over distances of many micrometers, and their macroscopic properties are anisotropic. Figure A1 shows the way in which molecules might be arranged in a normal liquid and in a liquid crystal. A preferred direction (or director) in a normal liquid does not exist, but one does in a liquid crystal. The interactions between liquid crystals and light, electric and magnetic fields, X-rays, diffusing species, and the like, are dependent on the angle between the impressed forces and the director.

Figure A1. Normal Liquid and Liquid Crystal

Response to an applied field: Both normal liquids and molecules in a liquid crystals respond to applied magnetic and electric fields. Electric field induced molecular alignment (5-30%) in normal liquids (Kerr effect) results from the couple exerted on permanent and induced dipoles by the applied field in the presence of thermal agitation. In liquid crystals, the effect is two orders of magnitude greater because all the molecules move together. Because of this, a field of 106 V/m induces virtually 100% alignment. Large liquid crystal displays can be fabricated: By anchoring the molecular orientation at the surfaces of a thin crystal layer it is possible to create a single crystal with a thickness up to about a hundred microns. Only the molecular alignment is unique, the positions of the centers of the molecules change with time. Liquid Crystal Types The primary types of liquid crystals are shown in figure A2. They are as follows: Nematic. Positional order is completely absent but the rod like molecules try to lie parallel to one another. Only molecules that are separated by several tens of micrometers show any significant departure from parallel alignment. Some Schiff bases, esters, and biphenyls exhibits a nematic liquid crystalline phase.

Page 6.666.7

Figure A2. Types of Liquid Crystals 3

Smectic. There are several smectic types all of which exhibit the same tendency for molecular parallelism in all 3 dimensions. Smectics have a layered structure due to the tendency for the molecular centers to lie in well-defined planes. The director may or may not be normal to these planes and the centers may be random within the planes or may have varying degrees of order. Smectics, have high viscosity, and are sometimes used for memory additives for nematic crystals. By the way, smectic liquid crystals were originally used as alignment agents in detergents, due to their anisotropy. Cholesteric. This liquid crystalline state occurs when the molecules are planar rather than rod-like. Thus, the molecules may stack parallel within one plane but may lie at a well defined angle to one another along’ the normal to that plane. The structure is much like a nematic that has been twisted about the normal to the director. The pitch of the helical structure is a function of temperature, molecular type, and they often exhibit “chromatic” effects due to their layered pitch. Optical Properties The most obvious consequence of anisotropy is the highly refractive and sometimes turbid optical effects of liquid crystals in bulk form. The angle between the director and the light beam varies spatially and with the passage of time. As a result, the light is steered by the refractive index variations and there is strong scattering away from the incident direction although very

Page 6.666.8

little light is backscattered. In nematics, the material is locally uniaxial, and the optical axis is parallel to the director. As expected, there are the usual birefringent or doubly refractive properties. In cholesterics, the symmetry axis is the helical axis so that optic axis and director are normal to one another. In addition to birefringence there are optical rotary effects. Alignment and patterns In the case of a thin (10-100 µm) liquid crystal layer contained between two ITO coated glass plates, surface treatment (coating with PVA or polyimide and rubbing unidirectionally) of these plates can lead to a stable well defined director orientation throughout the layer. Figure A3 shows orientation of the liquid crystal molecules perpendicular or parallel to the plane of the container walls. Cholesteric liquid crystals can only sustain a unique orientation when the director is in the plane of the glass surfaces. Then, the helical (optic) axis is normal to the surfaces and there are considerable optical effects along this axis. The structure, called Grandjean, is unique, it being impossible to achieve any other arrangement by surface control2. Cholesterics frequently take up a structure in which short helical sections are packed in a more complicated, strongly scattering state which, although not fully stable can survive for long periods.

Figure A3. Orientation of liquid crystal molecules at the substrate: (a) homeotropic or normal;

(b) non-aligned; and (c) homogeneous or parallel alignment. Response to electric fields When the liquid crystal resistivity is very high (> than 1012 ohm-cm) and only dielectric response is involved, the applied field acts on both permanent and induced dipoles. The molecules have axial symmetry so that when the polarizability is greater parallel to the axis than perpendicular to it, the molecules align parallel to the field in order to minimize the energy as shown in Figure A4. For materials with greater polarizability across the

Page 6.666.9

Figure A4. Liquid crystal alignment in an electric field4

molecular axis, the director aligns perpendicular to the applied field. The difference between the polarizabilities is expressed in the dielectric anisotropy (ε// - ε⊥), being positive when the parallel component is greater. The anisotropy usually seen in data sheets is for low frequencies and it should be remembered that it may diminish or change sign at frequencies above 5-10 kHz. The addition of significant charge transport leads to a more complicated response. Figure A5 illustrates the response of a nematic liquid crystal, with relatively low resistivity, (<1012 ohm-cm) and significant negative low frequency dielectric anisotropy. In zero field, surface control is used to set the director at right angles to the surfaces (parallel to the applied field). At a few volts, an applied field acts on the dielectric anisotropy and over most of the film, the director aligns perpendicular to the applied field. This situation is shown in Figure A5. As the applied field is increased, significant current is passed. Any distortion of the director, such as may be caused by thermal or vibrational effects, leads to a sideways displacement of charge due to the conductivity anisotropy. As indicated, this provokes an increase in the distortion and the situation is unstable, leading to a cellular, forced convection in the liquid. The same phenomenon may take place in a cholesteric liquid crystal with negative dielectric anisotropy. If the anisotropy is very small and the director is initially arranged to be parallel to the field, cellular convection may not occur. On the other hand, if the material has very weak positive P

age 6.666.10

anisotropy and the director is initially arranged perpendicular to the applied field, cellular convection may occur.

(a) (b) (c)

(d) (e)

Figure A5. Patterns for dynamic scattering L.C. with voltages (a) 0V, (b) 1 V, (c) 2 V, (d) 3 V, and (e) turbulence above 4 V (RMS)

Device Fabrication To make a crude electro-optic device, two glass plates, coated with a transparent conductor are spaced by a 25 micrometer thick Mylar spacer which is in two parts (Figure 3). After suitable surface treatment the plates are clamped to the spacer and are sealed together with epoxy resin all round the perimeter of the spacer except for two small areas corresponding to gaps in the spacer. The clamps are taken off when the epoxy has hardened and the cell is filled in vacuum by capillary action. A drop of liquid crystal is placed near one filling hole and the cell is placed on a tilting table in an enclosure which is rough pumped. After a suitable interval, the table is tipped, the liquid crystal fills the cell and air is let into the enclosure. Finally, the filling holes are sealed, care being taken to avoid contaminating the liquid crystal. This technique allows one to use very small quantities of material. Electro-Optic Effects (a) Dynamic Scattering A nematic liquid crystal material, with low resistivity and negative dielectric anisotropy, will in general exhibit dynamic scattering. It is usual to treat the cell surfaces with lecithin or a similar surfactant to make the director normal to the cell surfaces. An applied steady voltage of about 2V/25 µm swings the director round until it lies in a plane normal to the field. This phenomenon, sometimes called the Frederiks Effect, is independent of frequency up to 50 kHz or above (see Figure A6). Further increase in a steady or low frequency (~ 50 Hz) applied voltage leads to the convection, and, if this is driven beyond the streamlined flow condition,

Page 6.666.11

turbulence occurs. This disrupts all structure in the nematic film, causing strong light scattering (’dynamic scattering’) which ceases when the current is reduced to zero. As shown in Figure A6, the dynamic scattering threshold voltage rises rapidly at the dielectric relaxation frequency which is inversely proportional to resistivity and dielectric constant. At low frequencies, the space charge inhomogeneity which results from the conductivity anisotropy, reverses its sense in sympathy with the applied field. The force exerted on the space charge is therefore unchanged as the applied field oscillates but only as long as the space charge distribution can reverse accordingly. Above the dielectric relaxation frequency, the alternating field acts on some mean charge displacement that causes the director to oscillate about its mean position. This causes scattering which is weak and has a threshold RMS voltage which increases as the square root of the frequency. (b) Twisted Nematic Light Valve

Figure A7. Construction of L.C. Valve for twisted nematic and dynamic scattering

Again a nematic liquid crystal is used, but resistivity, dielectric anisotropy and surface preparation are all different. The resistivity is made as high as possible by material purification, and the anisotropy is chosen to be positive. The surfaces are treated so that the director lies in the plane of the surface and along a well defined direction. However, this direction on one surface is arranged at right angles to the special direction on the other surface. The result is a twisted nematic structure that has the effect of rotating the plane of plane polarized light through 90°. A sandwich of the cell between two crossed polarizers leads to transmission whereas a cell between parallel polarizers leads to virtually no transmission (see Figures A4 and A7). When a small voltage (2V) is applied, the director rotates until the optic axis lies along the incident light direction. The 90° twist is lost and the transmitting sandwich becomes opaque (or the opaque sandwich transmits). The original effect is regained when the field is switched off. (c) Cholesteric to Nematic Phase Change. A cholesteric with positive dielectric anisotropy and high resistivity is used. The cholesteric is originally set in the clear stable structure with the optic axis normal to the cell surfaces. An applied field aligns the molecules parallel to the field and parallel to one another. The result is

Page 6.666.12

that the material is no longer cholesteric but is nematic although the film remains clear. On removing the applied field, the cholesteric phase grows randomly throughout the film and the result is a disordered structure that scatters light and persists for some time. The working material can be made from a mixture of a normal cholesteric (usually having low anisotropy) and a high positive anisotropy nematic. (d) Cholesteric Memory Effect. This effect which involves a negative anisotropy cholesteric with low resistivity can be understood from a study of Figure A6 for dynamic scattering. The memory effect is in fact simply dynamic scattering, but in a cholesteric, the scattering state reverts only very slowly to the clear original structure. The optic axis is arranged perpendicular to the cell plates and so the film starts off clear. Application of’ a low frequency voltage leads to disruption of the film into a scattering condition which can persist for months after the current is stopped. Application of an alternating voltage above the Frederiks threshold and beyond the cut-off frequency causes a Frederiks effect which regains the original clear structure. The device thus has one stable and one metastable off state and thus exhibits memory. VI. References 1. T. Kountotsis, "Liquid Crystal Display Design", Western New England College Summer Design Project, June, 1998 (present address General Dynamics, Pittsfield, MA) and B. Wilson, "Design of Color Liquid Crystal Display System", Western New England College Senior Design Project, June 1986 (present address AOX Corp, Dallas, TX). 2. J. Kirton., "Electro-Optic Effects In Liquid Crystals", Proc. Conf. Liquid Crystals, Kent State Univ., 1982. pp.46-57. 3. J. Litster and R. Birgeneau, Physics Today, Vol. 35, No.5, 1982. pp. 26-33. 4. G. P. Crawford, SAMPE Jnl., 32, 4 1996. pp. 22-28 Biographical James V. Masi is the Executive Director of the Northeast Center for Telecommunications Technologies (a National Science Foundation Center) in Springfield, MA. He is Professor Emeritus from Western New England College. Dr. Masi received his B.S. in Physics from Fairfield U., his M.S. in Physics from Long Island U., and his Ph.D. in Applied Science from the U. of Delaware. He has authored over 130 publications, 60 patents, four videotapes, and three books.

Page 6.666.13

LLAABB MMAANNUUAALL && RREESSOOUURRCCEESS ffoorr MMAATTEERRIIAALLSS SSCCIIEENNCCEE,, EENNGGIINNEEEERRIINNGG AANNDD TTEECCHHNNOOLLOOGGYY oonn CCDD--RROOMM

JJaammeess AA.. JJaaccoobbss,, NNoorrffoollkk SSttaattee UUnniivveerrssiittyy AAllffrreedd EE.. MMccKKeennnneeyy,, IIBBMM RReettiirreedd AAbbssttrraacctt TThhiiss ppaappeerr pprreesseennttss aa nneeww CCDD--RROOMM,, ((EEMMSSEETT22,, IISSBBNN 00--1133--003300553344--00)) wwhhiicchh pprroovviiddeess uusseeffuull rreessoouurrcceess ffoorr ccoouurrsseess iinn eennggiinneeeerriinngg aanndd tteecchhnnoollooggyy.. AA pprroodduucctt ooff aa ffiifftteeeenn--yyeeaarr eeffffoorrtt,, tthhiiss CCDD ccoonnttaaiinnss hhuunnddrreeddss ooff ddeemmoonnssttrraattiioonnss aanndd eexxppeerriimmeennttss wwhhiicchh hhaavvee bbeeeenn ccllaassssrroooomm tteesstteedd aanndd ppeeeerr rreevviieewweedd.. TThheessee rreessoouurrcceess aarree aavvaaiillaabbllee iinn tthhee ppooppuullaarr AAddoobbee AAccrroobbaatt PPDDFF ffoorrmmaatt,, aacccceessssiibbllee tthhoorroouugghh tthhee AAccrroobbaatt RReeaaddeerr,, wwhhiicchh iiss iinncclluuddeedd.. TThhee ccoonntteennttss aarree uusseeffuull ffoorr ssuucchh ccoouurrsseess aass mmaatteerriiaallss sscciieennccee,, mmaatteerriiaallss tteecchhnnoollooggyy,, mmeecchhaanniiccss aanndd ssttrreennggtthh ooff mmaatteerriiaallss,, aass wweellll aass ffoorr pprree--ccoolllleeggee lleevveell ccoouurrssee aanndd sscchhooooll vviissiittaattiioonnss.. AAddddiittiioonnaall PPDDFF--ffoorrmmaatttteedd rreessoouurrcceess oonn tthhee CCDD--RROOMM iinncclluuddee aa sshhoorrtt ccoouurrssee oonn MMiiccrroossccooppyy ooff FFiibbeerr--RReeiinnffoorrcceedd PPoollyymmeerr CCoommppoossiitteess,, aann IImmaaggee GGaalllleerryy sshhoowwiinngg mmaatteerriiaallss,, aapppplliiccaattiioonnss pphhoottooss,, pphhoottoommiiccrrooggrraapphhss ooff aa wwiiddee rraannggee ooff mmaatteerriiaallss,, aa ssttrruuccttuurraall mmooddeellss ggaalllleerryy,, aanndd rreellaatteedd wweebb ssiittee hhyyppeerrlliinnkkss.. TThheerree iiss aallssoo aa sseeccttiioonn oonn hhooww wwee mmaaddee tthhee PPDDFFss.. TThhee mmaannnneerr iinn wwhhiicchh tthhee ddeemmoonnssttrraattiioonnss aanndd eexxppeerriimmeennttss aarree wwrriitttteenn pprroovviiddeess uusseeffuull ttiippss oonn sseeccuurriinngg ssuupppplliieess aanndd ccoonnssttrruuccttiioonn ooff ddeevviicceess.. TTooppiiccss iinncclluuddee SSttrruuccttuurree,, TTeessttiinngg && EEvvaalluuaattiioonn,, MMeettaallss,, PPoollyymmeerrss,, CCeerraammiiccss,, CCoommppoossiitteess,, EElleeccttrroonniicc && OOppttiiccaall MMaatteerriiaallss,, aass wweellll aass iiddeeaass ffoorr MMaatteerriiaallss CCuurrrriiccuulluumm ddeevveellooppmmeenntt.. 11.. BBaacckkggrroouunndd -- AAnnnnuuaall NNEEWW::UUppddaatteess && PPuubblliiccaattiioonnss TThhee NNaattiioonnaall EEdduuccaattoorrss’’ WWoorrkksshhoopp ((NNEEWW::UUppddaattee)) sseerriieess ooff wwoorrkksshhooppss hhaass bbeeeenn iinn eexxiisstteennccee ssiinnccee 11998866.. NNEEWW::UUppddaattee wwoorrkksshhooppss ffooccuuss oonn ssttrreennggtthheenniinngg mmaatteerriiaallss eedduuccaattiioonn tthhrroouugghh tteecchhnniiccaall uuppddaatteess aanndd ppuubblliiccaattiioonn ooff llaabboorraattoorryy eexxppeerriimmeennttss aanndd ddeemmoonnssttrraattiioonnss ffoorr mmaatteerriiaallss sscciieennccee,, eennggiinneeeerriinngg aanndd tteecchhnnoollooggyy,, iinnvvoollvviinngg nneeww aanndd ttrraaddiittiioonnaall ccoonntteenntt iinn tthhee ffiieelldd.. TThhee NNaattiioonnaall AAeerroonnaauuttiiccss aanndd SSppaaccee AAddmmiinniissttrraattiioonn ((NNAASSAA)),, tthhee DDeeppaarrttmmeenntt ooff EEnneerrggyy ((DDOOEE)),, NNaattiioonnaall IInnssttiittuuttee ooff SSttaannddaarrddss aanndd TTeecchhnnoollooggyy ((NNIISSTT)),, aanndd NNoorrffoollkk SSttaattee UUnniivveerrssiittyy ((NNSSUU)),, hhaavvee pprroovviiddeedd tthhee mmaajjoorr ffuunnddiinngg ffoorr tthheessee wwoorrkksshhooppss.. JJooiinniinngg iinn ssuuppppoorrtt aarree tthhee AAmmeerriiccaann SSoocciieettyy ffoorr EEnnggiinneeeerriinngg EEdduuccaattiioonn,, AASSMM IInntteerrnnaattiioonnaall,, AAmmeerriiccaann SSoocciieettyy ffoorr TTeessttiinngg && MMaatteerriiaallss,, BBaatttteellllee PPaacciiffiicc NNoorrtthhwweesstt LLaabboorraattoorryy,, BBooeeiinngg AAiirrppllaannee CCoommppaannyy,, FFoorrdd MMoottoorr CCoommppaannyy,, MMaarrttiinn MMaarriieettttaa EEnneerrggyy SSyysstteemmss,, IInncc,, TThhee IInntteerrnnaattiioonnaall CCoouunncciill ffoorr MMaatteerriiaallss EEdduuccaattiioonn,, OOaakk RRiiddggee NNaattiioonnaall LLaabboorraattoorryy,, DDaaiimmlleerrCChhrryysslleerr,, GGeenneerraall MMoottoorrss aanndd GGaatteewwaayy CCooaalliittiioonn.. WWoorrkksshhoopp ppaarrttiicciippaannttss wwiittnneessss pprreesseennttaattiioonn ooff eexxppeerriimmeennttss aanndd ddeemmoonnssttrraattiioonnss,, ddeevveellooppeedd bbyy ffaaccuullttyy,, sscciieennttiissttss,, aanndd eennggiinneeeerrss tthhrroouugghhoouutt tthhee UUnniitteedd SSttaatteess.. TThheeyy ddiissccuussss iissssuueess ooff MMSSEE

Page 6.666.14

((mmaatteerriiaallss sscciieennccee aanndd eennggiinneeeerriinngg)) wwiitthh ppeeooppllee ffrroomm eedduuccaattiioonn,, iinndduussttrryy,, ggoovveerrnnmmeenntt,, aanndd tteecchhnniiccaall ssoocciieettiieess,, aanndd hheeaarr aabboouutt nneeww MMSSEE ddeevveellooppmmeennttss.. HHaallff--ddaayy mmiinnii wwoorrkksshhooppss iinn ssmmaallll ggrroouuppss aarree ccoonndduucctteedd iinn ssttaattee--ooff--tthhee--aarrtt llaabboorraattoorriieess aatt tthhee hhoosstt llaabboorraattoorriieess iinncclluuddiinngg NNAASSAA LLaanngglleeyy RReesseeaarrcchh CCeenntteerr,, NNaattiioonnaall IInnssttiittuuttee ooff SSttaannddaarrddss aanndd TTeecchhnnoollooggyy,, OOaakk RRiiddggee NNaattiioonnaall LLaabboorraattoorryy,, LLooss AAllaammooss NNaattiioonnaall LLaabboorraattoorryy,, BBooeeiinngg AAiirrppllaannee CCoommppaannyy-- SSeeaattttllee,, CCoolluummbbiiaa UUnniivveerrssiittyy//BBrrooookkhhaavveenn NNaattiioonnaall LLaabboorraattoorryy,, UUnniivveerrssiittyy ooff MMiicchhiiggaann//DDaaiimmlleerrCChhrryysslleerr.. AAnn eexxtteennssiivvee ppeeeerr rreevviieeww pprroocceessss ooff eexxppeerriimmeennttss iiss ffoolllloowweedd.. AAfftteerr ssuubbmmiissssiioonn ooff aabbssttrraaccttss,, sseelleecctteedd aauutthhoorrss aarree nnoottiiffiieedd ooff tthheeiirr aacccceeppttaannccee aanndd ggiivveenn tthhee ffoorrmmaatt ffoorr ssuubbmmiissssiioonn ooff eexxppeerriimmeennttss.. EExxppeerriimmeennttss aarree rreevviieewweedd bbyy aann iinntteerrnnaattiioonnaall ppaanneell tthhrroouugghh tthhee ccooooppeerraattiioonn ooff tthhee IInntteerrnnaattiioonnaall CCoouunncciill ffoorr MMaatteerriiaallss EEdduuccaattiioonn.. AAuutthhoorrss rreecceeiivvee ccoommmmeennttss ffrroomm tthhee ppaanneell pprriioorr ttoo wwoorrkksshhooppss aalllloowwiinngg tthheemm ttoo mmaakkee nneecceessssaarryy aaddjjuussttmmeennttss ttoo tthheeiirr eexxppeerriimmeennttss.. PPaarrttiicciippaannttss wwhhoo aatttteenndd NNEEWW::UUppddaatteess,, oobbsseerrvvee ddeemmoonnssttrraattiioonnss ooff tthhee eexxppeerriimmeennttss aanndd pprroovviiddee ccrriittiiqquueess ffoorr tthhee aauutthhoorrss ttoo mmaakkee ffuurrtthheerr mmooddiiffiiccaattiioonnss pprriioorr ttoo tthhiiss ppuubblliiccaattiioonn.. FFiinnaall eeddiittiinngg aanndd ppuubblliiccaattiioonn ooff tthhee aannnnuuaall wwoorrkksshhoopp pprroocceeeeddiinnggss hhaass bbeeeenn ddoonnee bbyy tthhee ppuubblliiccaattiioonn ssttaaffff ooff tthhee NNaattiioonnaall AAeerroonnaauuttiiccss aanndd SSppaaccee AAddmmiinniissttrraattiioonn.. 22.. TThhee CCDD--RROOMM CCoommppeennddiiuumm AAfftteerr sseevveerraall yyeeaarrss ooff NNEEWW::UUppddaattee WWoorrkksshhooppss aanndd tthhee ppooppuullaarriittyy aanndd iinnccrreeaassiinngg nnuummbbeerr ooff tthhee eexxppeerriimmeennttss rreessuullttiinngg ffrroomm tthhee wwoorrkksshhooppss,, tthhee oorrggaanniizziinngg ccoommmmiitttteeee,, wwiitthh aassssiissttaannccee ffrroomm tthhee MMaatteerriiaallss DDiivviissiioonn ooff AASSEEEE,, bbeeggaann wwoorrkk oonn aa ccoommppeennddiiuumm ooff sseelleecctteedd eexxppeerriimmeennttss.. SSuuppppoorrtt ffoorr tthhiiss ccoolllleeccttiioonn ccaammee ffrroomm aa bbrrooaadd rraannggee ooff iinnddiivviidduuaallss,, aaggeenncciieess,, aanndd tteecchhnniiccaall ssoocciieettiieess,, mmuucchh lliikkee tthhee ssuuppppoorrtt ffoorr tthhee NNEEWW::UUppddaatteess WWoorrkksshhooppss tthheemmsseellvveess.. TThhee oorriiggiinnaall iiddeeaa aaiimmeedd ttoo pprroodduuccee hhaarrdd ccooppiieess ooff aabboouutt 5500 sseelleecctteedd eexxppeerriimmeennttss.. HHoowweevveerr,, aatt NNEEWW::UUppddaattee 9944,, AAllffrreedd aanndd EEvveellyynn MMccKKeennnneeyy aanndd RRoobbeerrtt BBeerrrreettttiinnii pprreesseenntteedd aa ccoonncceepptt bbyy wwhhiicchh aallll eexxppeerriimmeennttss ccoouulldd bbee ppllaacceedd oonn aa CCDD--RROOMM iinn aa ffoorrmmaatt tthhaatt wwoouulldd pprroovviiddee mmaatteerriiaallss eedduuccaattoorrss aann eeaassyy wwaayy ttoo ffiinndd aanndd uussee aannyy ooff tthhee eexxppeerriimmeennttss.. AAddddiittiioonnaallllyy,, iinnssttrruuccttoorrss ccoouulldd ccuussttoommiizzee tthhee eexxppeerriimmeennttss ttoo mmeeeett tthheeiirr ssttuuddeennttss’’ nneeeeddss.. AAfftteerr ffuurrtthheerr rreesseeaarrcchh oonn mmeetthhooddoollooggyy aanndd eeffffoorrttss ttoo sseeccuurree ffuunnddiinngg,, wwee wweerree aabbllee ttoo ppuutt ttooggeetthheerr aa pprroojjeecctt tthhaatt uusseedd sseevveerraall ssoouurrcceess ooff ffuunnddss,, mmuucchh vvoolluunntteeeerr hheellpp aanndd rreessoouurrcceess,, aanndd aa ppuubblliisshheerr wwhhoo wwoouulldd pprroodduuccee aanndd ppaacckkaaggee tthhee EExxppeerriimmeennttss iinn MMaatteerriiaallss SScciieennccee,, EEnnggiinneeeerriinngg aanndd TTeecchhnnoollooggyy ((EEMMSSEETT)) CCDD--RROOMMss ffrroomm tthhee mmaasstteerr aanndd ddiissttrriibbuuttee tthheemm.. TThhee ssttrruuccttuurree ooff EEMMSSEETT aalllloowwss mmaatteerriiaallss eedduuccaattoorrss ttoo mmaanniippuullaattee iinnddiivviidduuaall ppaappeerrss iinn aa vvaarriieettyy ooff wwaayyss ffoorr eeiitthheerr hhaarrdd ccooppyy oorr ddiiggiittaall oouuttppuutt.. TThheeyy ccaann eeddiitt tthheeiirr sseelleeccttiioonn ttoo ffiitt tthheeiirr oowwnn eennvviirroonnmmeenntt aanndd ttoo ssuuiitt tthheeiirr ssttuuddeennttss'' nneeeeddss.. TThhee ffiirrsstt eeddiittiioonn ooff EEMMSSEETT,, ccoonnttaaiinniinngg ppaappeerrss ffrroomm tthhee ffiirrsstt ddeeccaaddee ooff tthhee WWoorrkksshhooppss,, wwaass rreelleeaasseedd iinn 11999977.. TThhiiss sseeccoonndd eeddiittiioonn,, EEMMSSEETT22,, ccoonnttaaiinniinngg aann aaddddiittiioonnaall tthhrreeee yyeeaarrss ooff ppaappeerrss aanndd eexxppaannddeedd tteeaacchhiinngg ccoonntteenntt,, wwaass ppuubblliisshheedd iinn tthhee ffaallll ooff 22000000.. EEMMSSEETT22 mmiigghhtt aallssoo bbee uusseedd aass aa rreessoouurrccee bbyy ssttuuddeennttss iinn iinnddeeppeennddeenntt ssttuuddyy.. P

age 6.666.15

33.. EEMMSSEETT22 CCoonntteenntt EEMMSSEETT22 ccoonnttaaiinnss tthhrreeee mmaajjoorr sseeccttiioonnss aass sshhoowwnn oonn tthhee MMaaiinn MMeennuu ((FFiigg 11)).. TThhee IINNTTRROODDUUCCTTIIOONN TTOO EEMMSSEETT22 sseeccttiioonn ccoonnttaaiinnss ffuurrtthheerr iinnffoorrmmaattiioonn aabboouutt EEMMSSEETT22’’ss ccoonntteenntt,, ccoonnttrriibbuuttoorrss aanndd pprroovviiddeess hheellpp iinn ggeettttiinngg ssttaarrtteedd.. TThhee AADDDDIITTIIOONNAALL RREESSOOUURRCCEESS sseeccttiioonn ccoonnttaaiinnss ssuupppplleemmeennttaall tteeaacchhiinngg mmaatteerriiaall.. EExxaammpplleess aarree sshhoowwnn bbeellooww.. TThhee EEXXPPEERRIIMMEENNTTSS && DDEEMMOONNSSTTRRAATTIIOONNSS sseeccttiioonn ccoonnttaaiinnss oovveerr 440000 ddeemmoonnssttrraattiioonnss aanndd eexxppeerriimmeennttss.. IItt iiss tthhee hheeaarrtt ooff tthhee NNEEWW::UUppddaattee wwoorrkksshhooppss aanndd tthhee EEMMSSEETT22 CCDD--RROOMM aanndd iiss ffuurrtthheerr ddeessccrriibbeedd bbeellooww.. WWhhiillee iitt iiss ddiiffffiiccuulltt ttoo ddeemmoonnssttrraattee tthhee rriicchhnneessss ooff tthhee tteeaacchhiinngg rreessoouurrcceess ccoonnttaaiinneedd iinn EEMMSSEETT22 iinn aa bbrriieeff ssppaaccee,, wwee wwiillll pprreesseenntt ssoommee ddeessccrriippttiioonn aanndd eexxaammpplleess ooff iittss ccoonntteenntt oovveerr tthhee nneexxtt ffeeww ppaaggeess.. TThhee AAddddiittiioonnaall RReessoouurrcceess SSeeccttiioonn TThhiiss sseeccttiioonn ccoonnttaaiinnss aa wwiiddee rraannggee ooff mmaatteerriiaall aaiimmeedd aatt pprroovviiddiinngg iinnssttrruuccttoorrss wwiitthh aaddddiittiioonnaall rreessoouurrcceess ttoo ssuupppplleemmeenntt tthheeiirr ccllaassssrroooomm ccuurrrriiccuulluumm.. TThhiiss mmaatteerriiaall rraannggeess ffrroomm aa sshhoorrtt ccoouurrssee oonn mmiiccrroossccooppyy ffoorr aaddvvaanncceedd ccoommppoossiittee mmaatteerriiaallss,, aann eexxtteennssiivvee lliissttiinngg ooff rreelleevvaanntt wweebb ssiitteess,, tthhrroouugghh aapppplliiccaattiioonnss ooff mmaatteerriiaallss,, pphhoottooss,, pphhoottoommiiccrrooggrraapphhss,, ssttrruuccttuurreess aanndd mmooddeellss.. TThheerree aarree eexxaammpplleess oonn tthhiiss ppaaggee

FFiigg 11 -- MMaaiinn MMeennuu

FFiigg 22 -- AA SShhoorrtt CCoouurrssee oonn MMiiccrroossccooppyy ooff FFiibbeerr--RReeiinnffoorrcceedd PPoollyymmeerr CCoommppoossiitteess

Page 6.666.16

aanndd tthhee nneexxtt ((FFiiggss 22,, 33 aanndd 44))..

FFiigg 33 -- AApppplliiccaattiioonn ooff MMaatteerriiaallss iinn tthhee AAuuttoommoottiivvee IInndduussttrryy

FFiigg 44 -- AApppplliiccaattiioonn ooff MMaatteerriiaallss iinn tthhee FFiieelldd ooff AArrtt

Page 6.666.17

TThhee EExxppeerriimmeennttss && DDeemmoonnssttrraattiioonnss SSeeccttiioonn TThhiiss sseeccttiioonn iiss tthhee hheeaarrtt ooff tthhee ppuubblliiccaattiioonn.. IItt iinncclluuddeess oovveerr 440000 eexxppeerriimmeennttss aanndd ddeemmoonnssttrraattiioonnss iinn PPDDFF ffoorrmmaatt ffrroomm tthhee aannnnuuaall NNEEWW::UUppddaattee wwoorrkksshhooppss.. TThheeyy hhaavvee bbeeeenn rreepprroodduucceedd iinn tthheeiirr oorriiggiinnaall ppeeeerr--rreevviieewweedd ffoorrmm,, pprreesseerrvviinngg tthhee iinnddiivviidduuaalliittyy aammoonngg tthhee ppaappeerrss aanndd rreefflleeccttiinngg tthhee aauutthhoorr’’ss ssttyyllee aanndd mmeetthhoodd.. TThhee TTAABBLLEE OOFF CCOONNTTEENNTTSS

((FFIIGG 55)) ccllaassssiiffiieess tthhee ppaappeerrss iinnttoo sseevveenn ccaatteeggoorriieess:: SSttrruuccttuurree,, TTeessttiinngg && EEvvaalluuaattiioonn,, MMeettaallss,, PPoollyymmeerrss,, CCeerraammiiccss,, CCoommppoossiitteess,, EElleeccttrroonniicc && OOppttiiccaall MMaatteerriiaallss aanndd MMaatteerriiaallss CCuurrrriiccuulluumm.. TToo ffiinndd ddeessiirreedd ddooccuummeenntt((ss)) tthhee uusseerr ccaann:: S Browse the Table of Contents which is organized by types of

materials or processes, or S Use the full Text Search capability, searching by: AAuutthhoorr TTiittllee SSuubbjjeecctt TTeexxtt wwoorrddss iinn ccoonntteexxtt TThhee PPDDFFss aarree iinnddeexxeedd ffoorr ffuullll tteexxtt sseeaarrcchh wwhheenn uussiinngg tthhee AADDOOBBEE™™ AACCRROOBBAATT RREEAADDEERR ((WWIITTHH

SSEEAARRCCHH)) pprrooggrraamm.. EEnnaabblliinngg tthhee ““wwoorrdd sstteemmmmiinngg”” aanndd ““ssoouunnddss lliikkee”” ffeeaattuurreess aalllloowwss tthhee ggrreeaatteesstt ffrreeeeddoomm iinn llooccaattiinngg tthhee ccoonntteenntt ddeessiirreedd.. WWhhiillee tthhee ddeettaaiilleedd TTaabbllee ooff CCoonntteennttss ccaann aallssoo bbee ssccaannnneedd ttoo ffiinndd tthhee mmaatteerriiaall ddeessiirreedd,, tthhee uusseerr wwiillll pprroobbaabbllyy uussee tthhee FFuullll TTeexxtt SSeeaarrcchh mmoorree oofftteenn bbeeccaauussee tthhee ssuubbjjeecctt mmaatttteerr ooff ppaappeerrss ssoommeettiimmeess ffiittss iinnttoo mmoorree tthhaann oonnee ccaatteeggoorryy.. OOnnccee tthhee ddeessiirreedd ppaappeerr iiss llooccaatteedd,, tthhee AACCRROOBBAATT RREEAADDEERR ggiivveess tthhee uusseerr tthhee aabbiilliittyy ttoo:: S View an exact image of the original paper, or S Print complete or selected parts of the paper, or S Edit it by copying to a word processor in a new or existing

document or by using the Adobe Acrobat program.This page

FFiigg 55 -- TTaabbllee ooff CCoonntteennttss

Page 6.666.18

illustrates the power of the “word stemming” capability. The search word “hardness” (Fig 6) finds such occurrences as “harden,” and “hardening (Fig 7).”

DDiissppllaayy ooff tthhee ffiirrsstt ssccrreeeenn ooff tthhee hhiigghhlliigghhtteedd

ppaappeerr iiss sshhoowwnn oonn tthhee nneexxtt ppaaggee ((FFiigg 88)).. .. UUssiinngg tthhee PPaappeerrss

FFiigg 66 -- SSeeaarrcchh

FFiigg 77 -- SShhoowwiinngg ssoommee ooff tthhee FFuullll TTeexxtt SSeeaarrcchh rreessuullttss ffoorr ““hhaarrddnneessss,,”” uussiinngg WWoorrdd SStteemmmmiinngg

Page 6.666.19

IInn mmaannyy ccaasseess,, tthhee iinnssttrruuccttoorr wwiillll pprroobbaabbllyy uussee tthhee eexxppeerriimmeennttss aass tthheeyy wweerree ppuubblliisshheedd.. HHoowweevveerr,, iitt mmaayy ssoommeettiimmeess bbee ddeessiirraabbllee ttoo eeddiitt aa ppaappeerr ffoorr aa ppaarrttiiccuullaarr nneeeedd,, eevveenn ccoommbbiinniinngg iitt wwiitthh ootthheerr ppaappeerrss.. TThhee eeaassiieesstt wwaayy iiss ttoo uussee AAddoobbee AAccrroobbaatt ((nnoott tthhee RReeaaddeerr)) pprrooggrraamm.. HHoowweevveerr,, iiff tthhiiss pprrooggrraamm iiss nnoott aavvaaiillaabbllee,, tthheerree aarree ttwwoo ootthheerr mmeetthhooddss ooff eeddiittiinngg ttoo cchhoossee ffrroomm:: S Print the paper,

then cut and paste as needed, the old-fashioned way, or S Copy blocks of text and graphics to the clipboard, then

paste into a word processor or ggrraapphhiiccss pprrooggrraamm.. WWhheenn aallll ooff tthhee ddeessiirreedd mmaatteerriiaall hhaass bbeeeenn ccooppiieedd iinnttoo tthhee wwoorrdd pprroocceessssoorr,, tthhee iinnssttrruuccttoorr ccaann ccrreeaattee aaddddiittiioonnaall mmaatteerriiaall ttoo ssuuiitt tthhee ssppeecciiffiicc nneeeeddss ooff hhiiss oorr hheerr ccllaassss.. FFiigguurree 99 iiss aann eexxaammppllee ooff aa ddaattaa sshheeeett wwhhiicchh ccoouulldd aaccccoommppaannyy tthhee ppaappeerr oonn ““hhaarrddnneessss..”” FFaaiirr UUssee aanndd CCrreeddiitt TThhiiss CCDD--RROOMM rreessuulltteedd ffrroomm ssccoorreess ooff ppeeooppllee ccoonnttrriibbuuttiinngg eexxppeerriimmeennttss aanndd ddeemmoonnssttrraattiioonnss ttoo tthhee aannnnuuaall NNaattiioonnaall EEdduuccaattoorrss WWoorrkksshhoopp::UUppddaatteess iinn EEnnggiinneeeerriinngg MMaatteerriiaallss,, SScciieennccee,, aanndd TTeecchhnnoollooggyy ((NNEEWW::UUppddaatteess)).. TThheeiirr nnaammeess aarree lliisstteedd wwiitthh tthheeiirr eexxppeerriimmeennttss oonn tthhee CCDD--RROOMM,, aass aarree tthhee mmaannyy ootthheerr ppeeooppllee aanndd aaggeenncciieess wwhhoo hheellppeedd iinn tthhiiss pprroojjeecctt.. CCooooppeerraattiivvee ffuunnddiinngg aammoonngg pprriivvaattee iinndduussttrryy,, aaccaaddeemmiiaa,, aanndd NNAASSAA aalllloowweedd ffoorr pprroodduuccttiioonn ooff tthhee CCDD--RROOMM mmaasstteerr,, wwiitthh tthhee uunnddeerrssttaannddiinngg tthhaatt pprroodduuccttiioonn aanndd ddiissttrriibbuuttiioonn wwoouulldd bbee ddoonnee bbyy aa ppuubblliisshheerr.. PPrreennttiiccee--HHaallll,, IInncc.. aaggrreeeedd ttoo bbeeccoommee tthhee ppuubblliisshheerr..

FFiigg 88 -- AA SSeelleecctteedd PPaappeerr oonn hhaarrddnneessss,, EEdd WWiiddeenneerr’’ss,, IItt’’ss HHaarrdd ttoo TTeesstt HHaarrddnneessss

FFiigg 99 -- AA LLooccaallllyy--ccrreeaatteedd SSttuuddeenntt DDaattaa SShheeeett

Page 6.666.20

FFaaccuullttyy hhaavvee tthhee rriigghhtt ttoo ccooppyy,, ccuutt aanndd ppaassttee ppaappeerrss ffrroomm tthhee EEMMSSEETT22 CCDD--RROOMM ttoo ssuuiitt tthheeiirr nneeeeddss.. HHoowweevveerr,, uusseerrss sshhoouulldd ggiivvee ccrreeddiitt ttoo tthhee oorriiggiinnaall aauutthhoorrss.. GGeettttiinngg SSttaarrtteedd TToo aassssiisstt iinn ffiinnddiinngg tthhee wwaayy aarroouunndd EEMMSSEETT22,, tthhee uusseerr mmaayy wwiisshh ttoo pprriinntt oouutt tthhee GGeettttiinngg SSttaarrtteedd sseeccttiioonn ttoo uussee aass aa rreeffeerreennccee.. TToo ddoo tthhiiss,, sseelleecctt tthhee GGEETTTTIINNGG SSTTAARRTTEEDD bbuuttttoonn ffrroomm tthhee IInnttrroodduuccttiioonn MMeennuu.. AAfftteerr GGeettttiinngg SSttaarrtteedd aappppeeaarrss,, sseelleecctt aanndd eexxeeccuuttee PPRRIINNTT ffrroomm tthhee FFiillee MMeennuu.. BBiibblliiooggrraapphhyy GGaarrddnneerr,, JJaammeess EE,, GGiinnggeerr LL FFrreeeemmaann,, JJaammeess JJaaccoobbss aanndd DDoonn PPaarrkkiinn ((JJuullyy,, 11999977)) NNaattiioonnaall EEdduuccaattoorrss’’ WWoorrkksshhoopp::UUppddaattee 9966,, SSttaannddaarrdd EExxppeerriimmeennttss iinn EEnnggiinneeeerriinngg MMaatteerriiaallss,, SScciieennccee aanndd TTeecchhnnoollooggyy,, NNAASSAA CCoonnffeerreennccee PPuubblliiccaattiioonn 33335544 GGaarrddnneerr,, JJaammeess EE,, GGiinnggeerr LL FFrreeeemmaann,, JJaammeess JJaaccoobbss,, AAllaann MMiilllleerr aanndd BBrriiaann SSmmiitthh ((NNoovveemmbbeerr,,11999988)) NNaattiioonnaall EEdduuccaattoorrss’’ WWoorrkksshhoopp::UUppddaattee 9977,, SSttaannddaarrdd EExxppeerriimmeennttss iinn EEnnggiinneeeerriinngg MMaatteerriiaallss,, SScciieennccee aanndd TTeecchhnnoollooggyy,, NNAASSAA CCoonnffeerreennccee PPuubblliiccaattiioonn 11999988--220088772266.. AArrrriinnggttoonn,, GGiinnggeerr LL FF,, JJaammeess EE GGaarrddnneerr,, JJaammeess KK JJaaccoobbss,, KKaarrll JJ SSwwyylleerr aanndd LLeeoonnaarrdd WW FFiinnee ((OOccttoobbeerr,,11999999)) NNaattiioonnaall EEdduuccaattoorrss’’ WWoorrkksshhoopp::UUppddaattee 9988 SSttaannddaarrdd EExxppeerriimmeennttss iinn EEnnggiinneeeerriinngg MMaatteerriiaallss,, SScciieennccee aanndd TTeecchhnnoollooggyy,, NNAASSAA CCoonnffeerreennccee PPuubblliiccaattiioonn--11999999--22--0099554499.. JJaaccoobbss,, JJaammeess AA aanndd AAllffrreedd EE MMccKKeennnneeyy ((22000011)) EExxppeerriimmeennttss iinn MMaatteerriiaallss SScciieennccee,, EEnnggiinneeeerriinngg aanndd TTeecchhnnoollooggyy,, 22nndd EEddiittiioonn ((EEMMSSEETT22)) CCDD--RROOMM,, IISSBBNN 00--1133--003300553344--00..PPrreennttiiccee--HHaallll,, IInncc.. UURRLL:: hhttttpp::////wwwwww..PPrreennHHaallll..ccoomm oorr pphhoonnee 11--880000-- 992222--00557799 ttoo oobbttaaiinn aann eexxaammiinnaattiioonn ccooppyy ooff tthhee EEMMSSEETT22 DDeemmoonnssttrraattiioonn CCDD--RROOMM ,, IISSBBNN 00--1133--001199447755--11.. UURRLL:: hhttttpp::////MMSSTT--OOnnLLiinnee..nnssuu..eedduu//nneeww ffoorr mmoorree iinnffoorrmmaattiioonn aabboouutt tthhee aannnnuuaall NNEEWW::UUppddaattee wwoorrkksshhooppss oorr aann oonn--lliinnee ddeemmoonnssttrraattiioonn ooff tthhee EEMMSSEETT22 CCDD--RROOMM .. JJaammeess AA JJaaccoobbss JJaammeess AA JJaaccoobbss iiss PPrrooffeessssoorr ooff EEnnggiinneeeerriinngg TTeecchhnnoollooggyy aatt NNoorrffoollkk SSttaattee UUnniivveerrssiittyy.. HHee ddeevveellooppeedd tthhee ccoonncceepptt aanndd hhaass bbeeeenn ccoo--ddiirreeccttoorr ooff aallll tthhee NNEEWW::UUppddaatteess.. HHee hhaass tthhiirrttyy--tthhrreeee yyeeaarrss ooff tteeaacchhiinngg eexxppeerriieenncceess iinn ppuubblliicc sscchhoooollss,, ccoommmmuunniittyy ccoolllleeggeess,, aanndd uunniivveerrssiittiieess.. HHee hhaass ddeevveellooppeedd ccuurrrriiccuullaa ooffffeerriinnggss aatt aallll tthhrreeee lleevveellss,, iinncclluuddiinngg ccoouurrsseess iinn mmaatteerriiaall sscciieennccee,, mmaatteerriiaallss aanndd pprroocceesssseess tteecchhnnoollooggyy,, eennggiinneeeerriinngg mmaatteerriiaallss tteecchhnnoollooggyy,, aanndd pprriinncciipplleess ooff mmaannuuffaaccttuurree.. HHee hhaass iinndduussttrriiaall eexxppeerriieennccee wwiitthh WWeessttiinngghhoouussee CCoorrpp..,, TTeennnneeccoo,, FFoorrdd MMoottoorr CCoo..,, aanndd ccoommpplleetteedd aann iinntteennssiivvee tteenn--wweeeekk pprrooggrraamm wwiitthh IInntteerrnnaattiioonnaall BBuussiinneessss MMaacchhiinneess MMaannuuffaaccttuurriinngg TTeecchhnnoollooggyy IInnssttiittuuttee.. HHee iiss tthhee aauutthhoorr ooff nnuummeerroouuss aarrttiicclleess,, bbooookkss,, aanndd tteecchhnniiccaall ppaappeerrss aanndd pprreesseennttaattiioonnss.. DDrr.. JJaaccoobbss ccoo--aauutthhoorreedd EEnnggiinneeeerriinngg MMaatteerriiaallss TTeecchhnnoollooggyy,, nnooww iinn iittss tthhiirrdd eeddiittiioonn,, aanndd tthhee CCDD--RROOMM sseett,, EExxppeerriimmeennttss iinn MMaatteerriiaallss SScciieennccee,, EEnnggiinneeeerriinngg aanndd TTeecchhnnoollooggyy,, bbootthh ppuubblliisshheedd bbyy PPrreennttiiccee--HHaallll IInncc.. HHee hhaass bbeeeenn iinnvvoollvveedd aass ccoonnssuullttaanntt aanndd ddiirreeccttoorr wwiitthh nnuummeerroouuss ggrraannttss,, sseemmiinnaarrss,, aanndd

Page 6.666.21

ccuurrrriiccuulluumm ddeevveellooppmmeenntt eeffffoorrttss iinn eennggiinneeeerriinngg mmaatteerriiaallss,, mmaannuuffaaccttuurriinngg,, rroobboottiiccss aanndd CCAADD//CCAAMM.. PPrrooffeessssoorr JJaaccoobbss iiss aa mmeemmbbeerr ooff tthhee IInntteerrnnaattiioonnaall CCoouunncciill ffoorr MMaatteerriiaallss EEdduuccaattiioonn,, AASSMM IInntteerrnnaattiioonnaall,, SSoocciieettyy ooff MMaannuuffaaccttuurriinngg EEnnggiinneeeerrss,, AAmmeerriiccaann SSoocciieettyy ffoorr EEnnggiinneeeerriinngg EEdduuccaattiioonn,, AAmmeerriiccaann AAssssoocciiaattiioonn ooff UUnniivveerrssiittyy PPrrooffeessssoorrss,, AAmmeerriiccaann CCeerraammiiccss SSoocciieettyy,, aanndd iiss aa CCeerrttiiffiieedd SSeenniioorr TTeecchhnnoollooggiisstt aanndd mmeemmbbeerr ooff tthhee NNaattiioonnaall AAssssoocciiaattiioonn ffoorr IInndduussttrriiaall TTeecchhnnoollooggyy.. AAllffrreedd EE MMccKKeennnneeyy AAllffrreedd EE MMccKKeennnneeyy rreecceeiivveedd hhiiss BBSS iinn eennggiinneeeerriinngg ffrroomm tthhee UUSS CCooaasstt GGuuaarrdd AAccaaddeemmyy.. AAfftteerr sseerrvviiccee aass aa lliinnee ooffffiicceerr,, hhee eeaarrnneedd hhiiss MMBBAA aatt HHaarrvvaarrdd BBuussiinneessss SScchhooooll.. HHee wwaass eemmppllooyyeedd bbyy IIBBMM wwhheerree hhee ssppeecciiaalliizzeedd iinn tthhee ddeessiiggnn ooff llaarrggee mmaannuuffaaccttuurriinngg ppllaannnniinngg aanndd ccoonnttrrooll ssyysstteemmss.. HHee wwaass llaatteerr aassssiiggnneedd oonn aa ssaabbbbaattiiccaall ttoo tthhee SScchhooooll ooff TTeecchhnnoollooggyy aatt NNoorrffoollkk SSttaattee UUnniivveerrssiittyy wwhheerree hhee ttaauugghhtt ffoorr ffoouurr yyeeaarrss.. HHee ccoonnttiinnuueess ttoo wwoorrkk oonn NNEEWW::UUppddaattee aanndd iiss PPrroojjeecctt MMaannaaggeerr ffoorr tthhee EExxppeerriimmeennttss iinn MMaatteerriiaallss SScciieennccee,, EEnnggiinneeeerriinngg aanndd TTeecchhnnoollooggyy CCDD--RROOMM..

Page 6.666.22

DDiieelleeccttrriicc BBeehhaavviioorr ooff TTrriicchhlloorrooeetthhaannee aanndd CChhlloorroobbeennzzeennee aass aa FFuunnccttiioonn ooff TTeemmppeerraattuurree aatt 1100..11 GGHHzz

JJ.. NN.. DDaahhiiyyaa SSoouutthheeaasstt MMiissssoouurrii SSttaattee UUnniivveerrssiittyy

CCaappee GGiirraarrddeeaauu,, MMOO 6633770011

aanndd

JJ..AA.. RRoobbeerrttss UUnniiiivveerrssiittyy ooff NNoorrtthh TTeexxaass

DDeennttoonn,, TTeexxaass 7766220033

Abstract

MMiiccrroowwaavvee ddiieelleeccttrriicc rreessppoonnssee ooff ttrriicchhlloorrooeetthhaannee aanndd cchhlloorroobbeennzzeennee iiss ssttuuddiieedd uussiinngg aa mmiiccrroowwaavvee ssppeeccttrroommeetteerr.. TThhee ssppeeccttrroommeetteerr iiss ooppeerraatteedd iinn tthhee xx--bbaanndd ooff ffrreeqquueenncciieess bbeettwweeeenn 88..33 ttoo 1122..44 GGHHzz uussiinngg aa VVaarriiaann XX--1133 kkllyyssttrroonn.. AA ccyylliinnddrriiccaall rreessoonnaanntt ccaavviittyy iiss uusseedd aass aa ttooooll iinn tthhee mmiiccrroowwaavvee ssppeeccttrroommeetteerr.. TThhee ccaavviittyy iiss ooppeerraatteedd iinn tthhee TTEE001111 mmooddee aanndd tthhee ppeerrttuurrbbaattiioonnss ooff tthhee eelleeccttrriicc ffiieelldd iinnssiiddee tthhee ccaavviittyy iiss bbaasseedd oonn tthhee SSllaatteerr’’ss eeqquuaattiioonnss.. UUssiinngg tthheessee eeqquuaattiioonnss aanndd nnoorrmmaalliizziinngg tthhee ffiieellddss,, tthhee rreeaall aanndd iimmaaggiinnaarryy ccoommppoonneennttss ooff tthhee ccoommpplleexx ppeerrmmiittttiivviittyy aarree ddeetteerrmmiinneedd aatt 1100..11 GGHHzz.. TThhee rreellaaxxaattiioonn ttiimmeess ffoorr tthheessee mmaatteerriiaallss aarree ddeetteerrmmiinneedd uussiinngg DDeebbyyee’’ss eeqquuaattiioonnss.. Key Words: Polar molecules, dielectric relaxation, resonant cavity, perturbation of fields Prerequisites: Knowledge of electromagnetic theory and basic components of electronics

I. Objectives

11.. TToo uunnddeerrssttaanndd tthhee ffuunnccttiioonn ooff aa mmiiccrroowwaavvee ssppeeccttrroommeetteerr ffoorr ddiieelleeccttrriicc ssttuuddiieess.. 22.. TToo uunnddeerrssttaanndd tthhee nnoorrmmaalliizzaattiioonn pprroocceedduurree uussiinngg SSllaatteerr’’ss eeqquuaattiioonnss.. IIII.. IInnttrroodduuccttiioonn TThhee mmiiccrroowwaavvee ssppeeccttrroommeetteerr eemmppllooyyeedd iinn tthhiiss eexxppeerriimmeenntt hhaass bbeeeenn uusseedd vveerryy eexxtteennssiivveellyy iinn ddiieelleeccttrriicc ssttuuddiieess ooff ddiiffffeerreenntt mmaatteerriiaallss [[11--44]].. TThhee ddeettaaiillss ooff tthhee ssppeeccttrroommeetteerr ccaann bbee ffoouunndd iinn tthhoossee rreeffeerreenncceess iinn wwhhiicchh ddiieelleeccttrriicc rreellaaxxaattiioonn mmeecchhaanniissmm hhaass bbeeeenn ssttuuddiieedd uussiinngg aa rreessoonnaanntt ccaavviittyy iinn TT001111 mmooddee.. TThhee mmaaiinn ppuurrppoossee ooff uussiinngg tthhiiss mmooddee iiss bbeeccaauussee ooff aa vveerryy hhiigghh QQ--vvaalluuee ffoorr

Page 6.666.23

tthhee rreessoonnaanntt ccaavviittyy.. TThhiiss mmaakkeess tthhee ccaavviittyy vveerryy sseennssiittiivvee iinn tteerrmmss ooff iittss ppeerrttuurrbbaattiioonn ooff eelleeccttrriicc ffiieelldd.. SSiimmiillaarr tteecchhnniiqquueess uussiinngg rreessoonnaanntt ccaavviittiieess iinn ddiiffffeerreenntt mmooddeess hhaavvee aallssoo bbeeeenn uusseedd [[55--99]].. AA ccoommppuutteerr ccoonnttrrooll ssyysstteemm iiss uusseedd ttoo mmoonniittoorr tthhee tteemmppeerraattuurree ooff tthhee mmiiccrroowwaavvee rreessoonnaanntt ccaavviittyy vveerryy pprreecciisseellyy.. IIII.. TThheeoorryy,, PPrroocceedduurree,, aanndd AAnnaallyyssiiss DDiieelleeccttrriicc bbeehhaavviioorr ooff aa mmaatteerriiaall rreevveeaallss vveerryy iimmppoorrttaanntt iinnffoorrmmaattiioonn rreeggaarrddiinngg tthhee eelleeccttrriiccaall nnaattuurree ooff tthhaatt mmaatteerriiaall.. IItt iiss mmeeaassuurreedd iinn tteerrmmss ooff tthhee ppoollaarriizzaattiioonn ccaappaabbiilliittiieess ooff tthhaatt ppaarrttiiccuullaarr mmaatteerriiaall.. TThhee ddiieelleeccttrriicc ccoonnssttaanntt ooff aa ppoollaarr lliiqquuiidd aarriisseess ffrroomm tthhee oorriieennttaattiioonn ooff mmoolleeccuullaarr ppeerrmmaanneenntt eelleeccttrriicc ddiippoolleess aanndd tthhee eelleeccttrriiccaall ddiissttoorrttiioonn ooff tthhee mmoolleeccuulleess.. BBootthh ooff tthheessee eeffffeeccttss ccaann bbee eexxpprreesssseedd iinn tteerrmmss ooff aa qquuaannttiittyy PP,, tthhee ppoollaarriizzaattiioonn,, oorr ddiippoollee mmoommeenntt ppeerr uunniitt vvoolluummee ooff aa ccoonnttiinnuuoouuss mmaatteerriiaall::

((11)) wwhheerree oµ iiss tthhee aavveerraaggee ddiippoollee mmoommeenntt ppeerr mmoolleeccuullee,, NNoo iiss AAvvooggaarrddrroo’’ss nnuummbbeerr,, aanndd VV iiss tthhee

mmoollaarr vvoolluummee.. TThhee ppoollaarriizzaattiioonn pprroocceessss aallwwaayyss iinnvvoollvveess rraappiiddllyy ffoorrmmiinngg ppoollaarriizzaattiioonn tthhaatt ccoonnssiissttss mmaaiinnllyy ooff eelleeccttrroonniicc ppoollaarriizzaattiioonn,, aanndd mmaayy aallssoo iinnvvoollvvee sslloowwllyy ffoorrmmiinngg ppoollaarriizzaattiioonn.. DDeebbyyee iinn hhiiss tthheeoorryy [[1100]] eexxppllaaiinneedd tthhee rreellaaxxaattiioonn pphheennoommeennoonn aanndd sshhoowweedd tthhaatt tthhee ppoollaarriizzaattiioonn ooff aa ddiieelleeccttrriicc mmeeddiiuumm iinn aann eelleeccttrriicc ffiieelldd mmiigghhtt aarriissee ffrroomm tthhee ppaarrttiiaall oorriieennttaattiioonn ooff ppeerrmmaanneenntt mmoolleeccuullaarr ddiippoolleess bbyy tthhee ffiieelldd aass wweellll aass ffrroomm tthhee ddiissttoorrttiioonn ooff eelleeccttrroonniicc oorrbbiittss iinn tthhee mmoolleeccuulleess.. TThhee tthheeoorryy ssttaarrttss wwiitthh aann aassssuummppttiioonn aabboouutt tthhee ttiimmee vvaarriiaattiioonn ooff tthhee ppoollaarriizzaattiioonn iinn rreessppoonnssee ttoo aa sstteepp ffuunnccttiioonn rreemmoovvaall ooff ffiieelldd.. TThhee ssiimmpplleesstt aassssuummppttiioonn iiss ooff aann eexxppoonneennttiiaall ddeeccaayy

((22)) wwhheerree τ iiss tthhee rreellaaxxaattiioonn ttiimmee.. TThhee pphhyyssiiccaall mmeeaanniinngg ooff ssuucchh ddeeccaayy iiss tthhaatt tthhee rraattee ooff cchhaannggee ooff ppoollaarriizzaattiioonn iiss pprrooppoorrttiioonnaall ttoo tthhee ddiiffffeerreennccee bbeettwweeeenn tthhee iinnssttaannttaanneeoouuss ppoollaarriizzaattiioonn aanndd iittss ffiinnaall vvaalluuee.. TThhiiss rreellaaxxaattiioonn aassssuummppttiioonn iiss oofftteenn uusseedd iinn tthhee tthheeoorryy ooff tthhee rreettuurrnn ttoo eeqquuiilliibbrriiuumm ooff aa ppeerrttuurrbbeedd ssyysstteemm.. IIIIII.. NNoorrmmaalliizzaattiioonn ooff tthhee ffiieellddss iinn SSllaatteerr’’ss EEqquuaattiioonnss AA ssaammppllee ooff mmaatteerriiaall uunnddeerr ssttuuddyy ((ttrriicchhlloorrooeetthhaannee aanndd cchhlloorroobbeennzzeennee)) iiss ppllaacceedd iinnttoo aa ccaappiillllaarryy ttuubbee tthhaatt iinn ttuurrnn iiss aattttaacchheedd ttoo aa mmiiccrroommeetteerr ddrriivvee.. TThhee pprreesseennccee ooff tthhee ssaammppllee ccaauusseess tthhee ppeerrttuurrbbaattiioonn ooff tthhee ffiieellddss iinnssiiddee tthhee ccaavviittyy aanndd aass aa rreessuulltt ooff tthhaatt tthheerree iiss aa ffrreeqquueennccyy sshhiifftt ∆∆ff aanndd QQ--cchhaannggee ooff tthhee rreessoonnaanntt ccaavviittyy.. TThhee ffrreeqquueennccyy sshhiiffttss aanndd QQ--cchhaannggeess aarree rreellaatteedd ttoo tthhee rreeaall aanndd iimmaaggiinnaarryy ppaarrttss ooff tthhee ccoommpplleexx ddiieelleeccttrriicc ccoonnssttaanntt tthhrroouugghh tthhee ppeerrttuurrbbaattiioonn eeqquuaattiioonnss [[44]].. SSiinnccee tthhee pprreecciissee nnaattuurree ooff tthhee ffiieelldd iinn tthhee ccaavviittyy ccoouulldd nnoott bbee aasscceerrttaaiinneedd rreellaattiivvee vvaalluueess ooff ε ′ aanndd ε ′′ aarree ccaallccuullaatteedd ffoorr mmoolleeccuulleess iinn tthhiiss iinnvveessttiiggaattiioonn wwiitthh rreessppeecctt ttoo wwaatteerr aass aa ssttaannddaarrdd.. CCoonnssttaanntt ppaarraammeetteerrss ttoo bbee uusseedd iinn tthhee SSllaatteerr ppeerrttuurrbbaattiioonn eeqquuaattiioonnss [[44]] aarree oobbttaaiinneedd ffoorr wwaatteerr..

oo VNP µ)/(=

τ/)( toePtP −=

Page 6.666.24

TThhee cchhaannggeess iinn f∆ aanndd

∆

Q

1 aass aa ffuunnccttiioonn ooff mmaassss ooff tthhee ssaammppllee rreessiiddiinngg iinn tthhee ccaavviittyy ccaann bbee

eexxpprreesssseedd bbyy aa ssiimmppllee ppoowweerr--llaaww eeqquuaattiioonn [[1111]].. TThhee ddaattaa iiss ffiitttteedd ttoo eeqquuaattiioonnss ooff tthhee ffoorrmm

((33))

((44)) wwhheerree AA aanndd CC aarree tthhee iinntteerrcceeppttss,, BB aanndd DD aarree tthhee ssllooppeess,, ∆∆mm iiss tthhee ffrraaccttiioonn ooff ssaammppllee mmaassss aaddvvaanncceedd iinnttoo tthhee ccaavviittyy aanndd NN iiss aa ccoonnssttaanntt wwhhiicchh ddeeppeennddss uuppoonn tthhee ggeeoommeettrryy ooff tthhee eelleeccttrroo--mmaaggnneettiicc ffiieellddss iinnssiiddee tthhee ssaammppllee hhoollddeerr aanndd tthhee ccaavviittyy.. AA ccoommppuutteerr aannaallyyssiiss wwaass mmaaddee ooff tthhee eexxppeerriimmeennttaall ddaattaa iinn oorrddeerr ttoo ddeetteerrmmiinnee wwhhaatt ppoowweerr ooff NN lleedd ttoo aa ““bbeesstt ffiitt”” ffoorr tthhee ddaattaa.. TThhee bbeesstt vvaalluuee ooff NN aappppeeaarreedd ttoo bbee 11..66.. AA pplloott ooff ssoommee ooff tthhee ddaattaa uussiinngg NN == 11..66 iiss sshhoowwnn iinn FFiigguurree 11.. UUssiinngg eeqquuaattiioonnss ((33)) aanndd ((44)) aalloonngg wwiitthh SSllaatteerr’’ss ppeerrttuurrbbaattiioonn eeqquuaattiioonnss ((55)) aanndd ((66)) ggiivveenn bbeellooww

((55))

((66)) oonnee ccaann wwrriittee

((77)) aanndd

((88)) WWhheerree FF((EE)) iiss ggiivveenn bbyy

( )NmBAQ

∆+=

∆ 1

NmBAf )(∆+=∆

)(2

1

)(EFfB

m

fo

−′==

∆∆ ε

)()(

1

EFfDm

Qoε ′′=

∆

∆

dVEE

dvEEEF

aV

svrr

rr

⋅

⋅=

∫∫)(

dVEE

dvEE

f

f

a

s

o

vv

vv

•

•−′−=∆

∫∫

2

1ε

dVEE

dvEE

Qa

svv

vv

•

•−′−=

∆

∫∫

2

11 ε

Page 6.666.25

((99)) AAnndd iiss aa ffuunnccttiioonnaall ffoorrmm ooff hhooww tthhee ffiieelldd iinntteerraaccttss wwiitthh tthhee ssaammppllee,, EEaa aanndd EEss aarree tthhee ffiieellddss aass aapppplliieedd ttoo tthhee ccaavviittyy aanndd tthhee ssaammppllee iinnssiiddee tthhee ccaavviittyy,, EE iiss tthhee ttoottaall ffiieelldd ooff tthhee ssyysstteemm,, ∆∆ff iiss tthhee ffrreeqquueennccyy sshhiifftt,, aanndd QQ iiss tthhee qquuaalliittyy ffaaccttoorr ooff tthhee rreessoonnaanntt ccaavviittyy rreessppeeccttiivveellyy,, aanndd ffoo iiss tthhee rreessoonnaanntt ffrreeqquueennccyy ooff tthhee ccaavviittyy.. AAllll tthhee ssaammpplleess aarree ppllaacceedd iinnttoo ssmmaallll ccaappiillllaarryy ttuubbeess ooff ccoonnssttaanntt ddiiaammeetteerr ooff 22mmmm ttoo eelliimmiinnaattee aannyy ggeeoommeettrriiccaall eeffffeeccttss.. NNooww iiff FF((EE)) iiss ooff tthhee ssaammee ffoorrmm ffoorr aallll tthhee ssaammpplleess,, tthheerree aarriisseess aa cchhaarraacctteerriissttiicc BBxx aanndd DDxx ffoorr eeaacchh ssaammppllee ooff xx.. IIff BBww aanndd DDww aarree tthhee ccoorrrreessppoonnddiinngg vvaalluueess ffoorr wwaatteerr oonnee ccaann eexxpprreessss rreellaattiivvee vvaalluueess ffoorr ddiieelleeccttrriicc mmaatteerriiaall aass ffoolllloowwss::

((1100)) aanndd

((1111)) EEqquuaattiioonnss ((1100)) aanndd ((1111)) aarree uusseedd ttoo ccaallccuullaattee ε ′ aanndd ε ′′ ffoorr ttrriicchhlloorrooeetthhaannee aanndd cchhlloorroobbeennzzeennee uussiinngg lliitteerraattuurree vvaalluueess ooff ε ′ == 6611..33 aanndd ε ′′ == 2299..77 ffoorr wwaatteerr aatt 2255°°CC aatt aa ffrreeqquueennccyy ooff 1100..11 GGHHzz.. AA ssiimmiillaarr pprroocceedduurree iiss uusseedd ttoo ccaallccuullaattee tthhee rreeaall aanndd iimmaaggiinnaarryy ppaarrttss ooff tthhee ccoommpplleexx ddiieelleeccttrriicc ccoonnssttaanntt ffoorr tthheessee mmaatteerriiaallss aass aa ffuunnccttiioonn ooff tteemmppeerraattuurree.. TThhee tthheerrmmaall bbaatthh uusseedd iinn tthhiiss eexxppeerriimmeenntt iiss vveerryy sseennssiittiivvee iinn tteerrmmss ooff mmaaiinnttaaiinniinngg tthhee tteemmppeerraattuurree ooff tthhee mmaatteerriiaall wwhheenn iitt iiss ggooiinngg tthhrroouugghh tthhee pphhaassee cchhaannggee.. AA ccoommppuutteerr iinntteerrffaaccee ssyysstteemm iiss uusseedd ttoo ccoonnttrrooll tthhee aammoouunntt ooff aaiirr ggooiinngg tthhrroouugghh tthhee tthheerrmmaall bbaatthh aanndd iinn ttuurrnn ccoooolliinngg tthhee mmiiccrroowwaavvee rreessoonnaanntt ccaavviittyy ttoo tthhee ddeessiirreedd tteemmppeerraattuurree.. TThhee bblloocckk ddiiaaggrraamm ooff ssuucchh aa ssyysstteemm iiss sshhoowwnn iinn FFiigg.. 22.. TThhee mmiiccrroowwaavvee ddiieelleeccttrriicc rreessppoonnssee ooff ttrriicchhlloorrooeetthhaannee aanndd cchhlloorroobbeennzzeennee aass aa ffuunnccttiioonn ooff tteemmppeerraattuurree aatt 1100..11 GGHHzz iiss sshhoowwnn iinn FFiiggss.. 33--66.. TThhee mmiiccrroowwaavvee rreessoonnaanntt ccaavviittyy iiss vveerryy ssuucccceessssffuull iinn ssttuuddyyiinngg tthhee ddiieelleeccttrriicc rreellaaxxaattiioonn bbeehhaavviioorr ooff ttrriicchhlloorrooeetthhaannee aanndd cchhlloorroobbeennzzeennee.. TThhee tthheerrmmaall bbaatthh uusseedd iinn tthhiiss eexxppeerriimmeenntt iiss vveerryy sseennssiittiivvee aanndd wwiitthh tthhiiss tteecchhnniiqquuee tteemmppeerraattuurree ccaann bbee vvaarriieedd bbyy 00..11°°CC iinntteerrvvaallss.. IV. References

11.. DDaahhiiyyaa,, JJ.. NN..:: DDiieelleeccttrriicc PPrrooppeerrttiieess ooff GGeerrmmaanniiuumm aanndd SSiilliiccoonn aass DDeetteerrmmiinneedd iinn tthhee MMiiccrroowwaavvee FFiieelldd.. JJ.. MMaatteerr.. EEdduucc..,, 1133,, 11999911,, pp.. 336677..

22.. DDaahhiiyyaa,, JJ.. NN..:: DDiieelleeccttrriicc BBeehhaavviioorr ooff SSuuppeerrccoonndduuccttoorrss aatt MMiiccrroowwaavvee FFrreeqquueenncciieess..

NNIISSTT SSppeecciiaall PPuubblliiccaattiioonn 882222,, 11999900,, pp.. 114455..

1

1

−′−′

=x

w

x

w

B

B

εε

x

w

x

w

D

D

εε

′′′′

=

Page 6.666.26

33.. DDaahhiiyyaa,, JJ.. NN..,, aanndd FFrreeeemmaann,, RR.. WW..:: CCoommppuutteerr IInntteerrffaacciinngg ooff aa MMiiccrroowwaavvee RReessoonnaanntt CCaavviittyy ffoorr TTeemmppeerraattuurree MMeeaassuurreemmeennttss DDuurriinngg DDiieelleeccttrriicc RReellaaxxaattiioonn.. CCoommppuutteerrss iinn PPhhyyssiiccss,, JJuull//AAuugg.. 11998899,, pp.. 4499..

44.. DDaahhiiyyaa,, JJ.. NN..,, JJaannii,, SS.. KK.. aanndd RRoobbeerrttss,, JJ.. AA..:: PPhhaassee TTrraannssiittiioonn SSttuuddiieess iinn PPoollaarr aanndd

NNoonn--PPoollaarr LLiiqquuiiddss aatt MMiiccrroowwaavvee FFrreeqquueenncciieess.. JJ.. CChheemm.. PPhhyyss.. 7744((66)),, 11998811,, pp.. 33660099..

55.. HHoonngg,, KK.. HH.. aanndd RRoobbeerrttss,, JJ.. AA..:: MMiiccrroowwaavvee PPrrooppeerrttiieess ooff LLiiqquuiiddss aanndd SSoolliiddss UUssiinngg aa RReessoonnaanntt MMiiccrroowwaavvee CCaavviittyy aass aa PPrroobbee.. JJ.. AAppppll.. PPhhyyss..,, 4455((66)),, 11997744,, pp.. 22445522..

66.. AArrlltt,, GG..,, HHeennnniinnggss,, DD..,, aanndd ddee WWiitthh,, GG..:: DDiieelleeccttrriicc PPrrooppeerrttiieess ooff FFiinnee--ggrraaiinneedd

BBaarriiuumm TTiittaannaattee CCeerraammiiccss.. JJ.. AAppppll.. PPhhyyss..,, 5588((44)),, 1155 AAuugguusstt 11998855,, pp.. 11661199..

77.. GGeerrssoonn RRoobbeerrtt:: DDiieelleeccttrriicc PPrrooppeerrttiieess ooff LLeeaadd TTiittaannaattee ZZiirrccoonnaattee CCeerraammiiccss aatt VVeerryy LLooww FFrreeqquueenncciieess.. JJ.. AAppppll.. PPhhyyss,, 3311((99)),, 11997700,, pp.. 11661155..

88.. PPooiirriieerr,, MM..,, GG.. QQuuiirriioonn,, KK.. RR.. PPooeeppppeellmmeeiieerr aanndd JJ.. PP.. TThhiieell,, ““MMiiccrroowwaavvee SSttuuddyy ooff tthhee

HHiigghh--TTcc SSuuppeerrccoonndduuccttoorrss LLaa11..88SSrr00..22CCuuOO44,,”” PPhhyyss.. RReevv.. BB 3366((77)):: 33990066((11998877))..

99.. LLuurriioo,, AA..,, aanndd SStteerrnn,, EE.. :: ““MMeeaassuurreemmeennttss ooff tthhee DDiieelleeccttrriicc CCoonnssttaanntt ooff BBaaTTiiOO33 SSiinnggllee CCrryyssttaallss iinn tthhee PPaarraaeelleeccttrriicc RReeggiioonn aatt xx--bbaanndd..”” JJ.. AAppppll.. PPhhyyss..,, 3311,, 11996600,, pp.. 11880055..

1100.. DDeebbyyee,, PP.. :: ““PPoollaarr MMoolleeccuulleess””,, CChheemmiiccaall CCaattaalloogg,, NNeeww YYoorrkk,, 11992299,, CChhaapptteerr 55..

1111.. HHaanniioottiiss,, ZZ.. aanndd GGuunntthhaarrdd,, HH.. HH..,, AAggnneeww,, ZZ..,, MMaatthh.. PPhhyyss..,, 2200,, 11996699,, pp.. 777711

Page 6.666.27

FFiigguurree 11.. FFrreeqquueennccyy sshhiifftt ((MMHHzz)) aass aa ffuunnccttiioonn ooff mmaassss ((mmgg)) aanndd mmaassss****((11..66)) ffoorr wwaatteerr aatt aa rreessoonnaanntt

ffrreeqquueennccyy ooff 1100..11 GGHHzz.. FFiigguurree 22.. EExxppeerriimmeennttaall sseettuupp ffoorr ddiieelleeccttrriicc ssttuuddiieess sshhoowwiinngg tthhee ccoommppuutteerr ccoonnttrrooll ssyysstteemm

Page 6.666.28

TTeemmppeerraattuurree ((ººCC))

FFiigguurree 33.. FFrreeqquueennccyy sshhiiffttss ooff tthhee rreessoonnaanntt ccaavviittyy aass aa ffuunnccttiioonn ooff tteemmppeerraattuurree ffoorr aa ssaammppllee ooff ttrriicchhlloorrooeetthhaannee aatt aa mmiiccrroowwaavvee ffrreeqquueennccyy ooff 1100..11 GGhhzz..

TTeemmppeerraattuurree ((ººCC)) FFiigguurree 44.. CChhaannggeess iinn tthhee QQ--ffaaccttoorr ooff tthhee rreessoonnaanntt ccaavviittyy aass aa ffuunnccttiioonn ooff tteemmppeerraattuurree ffoorr aa

ssaammppllee ooff ttrriicchhlloorrooeetthhaannee aatt aa mmiiccrroowwaavvee ffrreeqquueennccyy ooff 1100..11 GGHHzz..

0

1

2

3

4

-80 -60 -40 -20 0 20 40 60

I����4���0+]

0123456789

10

-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100

�I��0+]��

Page 6.666.29

TTeemmppeerraattuurree ((ººCC))

FFiigguurree 55.. FFrreeqquueennccyy sshhiiffttss ooff tthhee rreessoonnaanntt ccaavviittyy aass aa ffuunnccttiioonn ooff tteemmppeerraattuurree ffoorr aa ssaammppllee ooff cchhlloorroobbeennzzeennee aatt aa mmiiccrroowwaavvee ffrreeqquueennccyy ooff 1100..11 GGhhzz..

TTeemmppeerraattuurree ((ººCC)) FFiigguurree 66.. CChhaannggeess iinn tthhee QQ--ffaaccttoorr ooff tthhee rreessoonnaanntt ccaavviittyy aass aa ffuunnccttiioonn ooff tteemmppeerraattuurree ffoorr aa

ssaammppllee ooff cchhlloorroobbeennzzeennee aatt aa mmiiccrroowwaavvee ffrreeqquueennccyy ooff 1100..11 GGhhzz..

0

0.5

1

1.5

2

2.5

-65 -45 -25 -5 15 35 55

I����4��0+]

0

1

2

3

4

5

6

-80 -60 -40 -20 0 20 40 60

I��0+]�

Page 6.666.30

Study of the Magnetostrictive Effect

JJoohhnn MMaarrsshhaallll,, PPhh..DD.. UUnniivveerrssiittyy ooff SSoouutthheerrnn MMaaiinnee

AAbbssttrraacctt MMaaggnneettoossttrriiccttiioonn iiss aann uunnuussuuaall pprrooppeerrttyy iinn wwhhiicchh aa mmaatteerriiaall aaccttuuaallllyy cchhaannggeess iittss sshhaappee dduurriinngg tthhee aapppplliiccaattiioonn ooff aa mmaaggnneettiicc ffiieelldd.. JJ..PP.. JJoouullee uussiinngg nniicckkeell ffiirrsstt ddiissccoovveerreedd tthhiiss pphheennoommeennoonn iinn 11884422.. SSuubbsseeqquueennttllyy ccoobbaalltt,, iirroonn aanndd aallllooyyss ooff tthheessee mmaatteerriiaallss wweerree ffoouunndd ttoo sshhooww aa ssiiggnniiffiiccaanntt mmaaggnneettoossttrriiccttiivvee eeffffeecctt wwiitthh ssttrraaiinnss ooff aabboouutt 5500 ppaarrttss ppeerr mmiilllliioonn ((PPPPMM)).. AApppplliiccaattiioonnss ffoorr tthhiiss mmaatteerriiaall pprrooppeerrttyy bbeeggaann vveerryy sslloowwllyy dduuee ttoo tthhee eexxttrreemmee tteemmppeerraattuurree aanndd ccoosstt lliimmiittaattiioonnss.. DDuuee ttoo rreecceenntt aaddvvaanncceemmeennttss iinn tthhiiss tteecchhnnoollooggyy,, ttrraannssdduucceerrss aanndd aaccttuuaattoorrss tthhaatt uuttiilliizzee tthhee mmaaggnneettoossttrriiccttiioonn pprriinncciippllee aarree bbeeccoommiinngg vveerryy ppooppuullaarr iinn ccuuttttiinngg--eeddggee mmoottiioonn ccoonnttrrooll aauuttoommaattiioonn.. TThheessee ppoossiittiioonniinngg sseennssoorrss aarree rreeppllaacciinngg oollddeerr,, lleessss rreelliiaabbllee mmoottiioonn ffeeeeddbbaacckk ddeevviicceess.. MMaaggnneettoossttrriiccttiivvee sseennssoorrss aarree bbeeiinngg iimmpplleemmeenntteedd iinn aa vvaarriieettyy ooff iinndduussttrriiaall eeqquuiippmmeenntt ssuucchh aass iinnjjeeccttiioonn mmoollddiinngg mmaacchhiinneess,, hhyyddrraauulliicc pprreesssseess,, ssaawwmmiillllss aanndd mmaannyy ddiiffffeerreenntt ffoorrmmss ooff rroobboottiicc aapppplliiccaattiioonnss.. KKeeyy WWoorrddss:: RReessoolluuttiioonn,, HHyysstteerreessiiss,, RReeppeeaattaabbiilliittyy,, WWaavveegguuiiddee,, IInnppuutt && OOuuttppuutt SSiiggnnaall.. PPrreerreeqquuiissiittee KKnnoowwlleeddggee:: BBaassiicc kknnoowwlleeddggee ooff mmaaggnneettiissmm aanndd aann aapppprreecciiaattiioonn ffoorr aaccccuurraattee

ppoossiittiioonniinngg ccoonnttrrooll.. OObbjjeeccttiivvee:: TToo oobbsseerrvvee aanndd uunnddeerrssttaanndd tthhee ccoonncceepptt ooff mmaaggnneettoossttrriiccttiioonn aanndd ttoo ggaaiinn aann

aapppprreecciiaattiioonn ffoorr tthhee iimmppoorrttaanntt ccoonnttrriibbuuttiioonnss tthhaatt tthhiiss mmaatteerriiaall tteecchhnnoollooggyy iiss mmaakkiinngg ttoo aauuttoommaattiioonn eennggiinneeeerriinngg..

EEqquuiippmmeenntt aanndd MMaatteerriiaallss:: MMaaggnneettoossttrriiccttiivvee wwaavveegguuiiddee ppoossiittiioonniinngg sseennssoorr ddeemmoonnssttrraattoorr uunniitt oorr ccoommppoonneennttss nneeeeddeedd ttoo ddeemmoonnssttrraattee tthhiiss eexxppeerriimmeenntt aarree aavvaaiillaabbllee ffrroomm MMTTSS SSyysstteemmss CCoorrppoorraattiioonn ((wwwwww..tteemmppoossoonniiccss..ccoomm)).. II.. IInnttrroodduuccttiioonn MMaaggnneettoossttrriiccttiivvee mmaatteerriiaallss hhaavvee aass aa pprrooppeerrttyy tthhee aabbiilliittyy ttoo ccoonnvveerrtt mmaaggnneettiicc eenneerrggyy iinnttoo mmeecchhaanniiccaall eenneerrggyy aanndd vviiccee vveerrssaa.. AAss aa mmaaggnneettoossttrriiccttiivvee mmaatteerriiaall iiss mmaaggnneettiizzeedd,, iitt ssttrraaiinnss,, oorr eexxhhiibbiittss aa cchhaannggee iinn lleennggtthh aaccccoommppaanniieedd bbyy aann iinnvveerrssee cchhaannggee iinn ggiirrtthh.. CCoonnvveerrsseellyy,, iiff aann eexxtteerrnnaall ffoorrccee iiss aapppplliieedd ccaauussiinngg aa ssttrraaiinn,, tthhee mmaatteerriiaallss mmaaggnneettiicc ssttaattee cchhaannggeess.. TThhiiss ccoouupplliinngg bbeettwweeeenn mmaaggnneettiicc aanndd mmeecchhaanniiccaall eenneerrggiieess iiss tthhee ttrraannssdduuccttiioonn ccaappaabbiilliittyy tthhaatt aalllloowwss aa mmaaggeenneettoossttrriiccttiivvee mmaatteerriiaall ttoo bbee uusseedd iinn bbootthh aaccttuuaattiioonn aanndd sseennssiinngg ddeevviicceess.. OOnnee ooff tthhee ffiirrsstt pprraaccttiiccaall aapppplliiccaattiioonnss ooff mmaaggnneettoossttrriiccttiioonn wwaass iittss uussee iinn SSOONNAARR ddeevviicceess iinn eecchhoollooccaattiioonn dduurriinngg tthhee SSeeccoonndd WWoorrlldd WWaarr.. AAnnootthheerr eeaarrllyy aapppplliiccaattiioonn iinncclluuddeedd ttoorrqquuee sseennssiinngg aanndd tthheessee aapppplliiccaattiioonnss aarree aass iimmppoorrttaanntt ttooddaayy aass tthheeyy wweerree tthheenn..

Page 6.666.31

IIII.. PPrroocceedduurree TThhee mmaaggnneettoossttrriiccttiivvee wwaavveegguuiiddee ppoossiittiioonniinngg sseennssoorr ddeemmoonnssttrraattoorr uunniitt rreeqquuiirreess 111100VVAACC aass aa ppoowweerr ssuuppppllyy.. AAfftteerr ttuurrnniinngg tthhee uunniitt oonn,, oobbsseerrvvee tthhee rreedd ddiiggiittaall mmeeaassuurreemmeenntt rreeaaddoouutt tthhaatt ccaann bbee iinnccrreemmeenntteedd iinn eeiitthheerr mmiilllliimmeetteerrss oorr iinn iinncchheess.. NNoottiiccee tthhee iinncclluussiioonn ooff ttwwoo ppoossiittiioonn mmaaggnneettss tthhaatt wwiillll bbee ““ttrriiggggeerriinngg”” tthhee sseennssiinngg eelleemmeenntt.. TThhee ffllaatt mmaaggnneettiicc rriinngg wwoouulldd bbee uuttiilliizzeedd oonn aa ssoolliidd oobbjjeecctt ssuucchh aass aann iinnjjeeccttiioonn mmoolldd hhoouussiinngg,, wwhhiillee tthhee bbuuooyyaanntt mmeettaalllliicc ““ddoonnuutt”” wwoouulldd bbee uusseedd ttoo sseennssee aa fflluuiidd lleevveell.. TThhee wwaavveegguuiiddee iiss tthhee lloonngg ttrraannssdduucceerr ttuubbee tthhaatt eexxtteennddss ffrroomm tthhee hheeaadd ooff tthhee sseennssiinngg eelleemmeenntt.. OOnnee mmaaggnneettiicc ffiieelldd iiss ggeenneerraatteedd ffrroomm aa ccuurrrreenntt ppuullssee tthhaatt iiss llaauunncchheedd aalloonngg aa wwiirree iinnssiiddee tthhee wwaavveegguuiiddee.. AA sseeccoonndd mmaaggnneettiicc ffiieelldd ccoommeess ffrroomm tthhee mmoovviinngg ppoossiittiioonn mmaaggnneett,, wwhhiicchh ppaasssseess aalloonngg tthhee oouuttssiiddee ooff tthhee ttrraannssdduucceerr ttuubbee.. TThhee iinntteerraaccttiioonn bbeettwweeeenn tthheessee ttwwoo mmaaggnneettiicc ffiieellddss pprroodduucceess aa ssttrraaiinn ppuullssee tthhaatt ttrraavveellss aatt ssoonniicc ssppeeeedd aalloonngg tthhee wwaavveegguuiiddee,, uunnttiill tthhee ppuullssee iiss ddeetteecctteedd aatt tthhee hheeaadd ooff tthhee ttrraannssdduucceerr.. TThhee ppoossiittiioonn ooff tthhee mmoovviinngg mmaaggnneett iiss pprreecciisseellyy ddeetteerrmmiinneedd bbyy mmeeaassuurriinngg tthhee eellaappsseedd ttiimmee bbeettwweeeenn tthhee llaauunncchhiinngg ooff tthhee eelleeccttrroonniicc ppuullssee aanndd tthhee aarrrriivvaall ooff tthhee ssttrraaiinn ppuullssee.. AAss aa rreessuulltt,, aaccccuurraattee nnoonn--ccoonnttaacctt ppoossiittiioonn sseennssiinngg iiss aacchhiieevveedd wwiitthh aabbssoolluutteellyy nnoo wweeaarr ttoo aannyy ooff tthhee sseennssiinngg eelleemmeennttss.. TTuurrnn tthhee ddeemmoonnssttrraattoorr uunniitt oonn aanndd sseelleecctt eeiitthheerr mmiilllliimmeetteerrss oorr iinncchheess.. SSlliiddee oonnee ooff tthhee ppoossiittiioonniinngg mmaaggnneettss oonnttoo tthhee ttrraannssdduucceerr ttuubbee aanndd oobbsseerrvvee tthhee rreeaaddoouutt.. SSiimmuullaattee tthhee lliinneeaarr mmoovveemmeenntt ooff tthhee oobbjjeecctt oorr tthhee iinnccrreeaassiinngg // ddeeccrreeaassiinngg lleevveell ooff fflluuiidd iinn aa ccoonnttaaiinneerr aanndd oobbsseerrvvee tthhee ddiiggiittaall rreeaaddoouutt.. UUssiinngg aa rruulleerr aass aa ccoonnffiirrmmaattiioonn ttooooll,, ppllaaccee iitt nneexxtt ttoo tthhee ttrraannssdduucceerr ttuubbee aanndd ccoommppaarree tthhee rreeaaddoouutt ttoo tthhee aaccttuuaall ddiissttaannccee bbeettwweeeenn tthhee ppoossiittiioonniinngg mmaaggnneett aanndd tthhee lloocckkiinngg sshhaafftt rriinngg.. TThhee lloocckkiinngg sshhaafftt rriinngg iiss hheelldd iinn ppllaaccee wwiitthh aa ssmmaallll sseett ssccrreeww.. IIff tthhee aaccttuuaall ddiissttaannccee vvaarriieess ffrroomm tthhee ddiissppllaayyeedd rreeaaddoouutt,, yyoouu mmaayy nneeeedd ttoo ccaalliibbrraattee oorr aaddjjuusstt tthhee sshhaafftt rriinngg.. TThhiiss iiss eeaassiillyy aaccccoommpplliisshheedd bbyy lloooosseenniinngg tthhee sseett ssccrreeww,, aanndd aaddjjuussttiinngg tthhee sshhaafftt rriinngg ttoo tthhee lliinneeaarr ppooiinntt wwhheenn tthhee rreeaaddoouutt mmaattcchheess tthhee rruulleerr’’ss mmeeaassuurreemmeenntt.. GGeennttllyy ttiigghhtteenniinngg tthhee sseett ssccrreeww wwiillll ccoommpplleettee tthhee uunniitt’’ss ccaalliibbrraattiioonn.. RReeppeeaatt tthhee mmoottiioonn ssiimmuullaattiioonnss ddeessccrriibbeedd aabboovvee aanndd nnoottiiccee hhooww aaccccuurraattee aanndd rreeppeeaattaabbllee tthhee ppoossiittiioonniinngg iiss bbeeiinngg sseennsseedd aanndd rreeppoorrtteedd.. UUnnlliikkee ttrraaddiittiioonnaall mmeecchhaanniiccaall lliimmiitt sswwiittcchheess oorr rreeeedd sswwiittcchheess,, tthhiiss ddeeppeennddaabbllee mmaaggnneettoossttrriicciittiivvee ttrraannssdduucceerr aaccccoommpplliisshheess tthhee ggooaall ooff pprrooxxiimmiittyy sseennssiinngg wwiitthhoouutt tthhee uussee ooff ccoonnttaaccttiinngg ccoommppoonneennttss.. IIIIII.. CCoommmmeennttss IInndduussttrriiaall aapppplliiccaattiioonnss ffoorr tthheessee mmaaggnneettoossttrriiccttiivvee ppoossiittiioonniinngg sseennssoorrss aarree bbeeccoommiinngg mmoorree nnuummeerroouuss eeaacchh ddaayy.. TThheeyy aarree bbeeiinngg uuttiilliizzeedd oonn mmaannyy ddiiffffeerreenntt ttyyppeess ooff pprroodduuccttiioonn eeqquuiippmmeenntt ssuucchh mmuullttiippllee aaxxiiss iinnjjeeccttiioonn mmoollddiinngg mmaacchhiinneess wwhheerree tthheeyy mmoonniittoorr mmoolldd cclloossuurreess.. TThheessee

Page 6.666.32

ddeevviicceess aarree aallssoo rreeppllaacciinngg ttrraaddiittiioonnaall ccoonnttaacctt sseennssoorrss iinn rruuggggeedd aapppplliiccaattiioonnss ssuucchh aass ssaawwmmiillllss aanndd pprreesssseess.. IInn tthheessee aapppplliiccaattiioonnss,, tthhee mmaaggnneettoossttrriiccttiivvee sseennssoorrss aarree rreeppoorrttiinngg tthhee ppoossiittiioonn ooff hhiigghh--pprreessssuurree hhyyddrraauulliicc ccyylliinnddeerrss tthhaatt iinnhheerreennttllyy ggeenneerraattee hhiigghh lleevveellss ooff sshhoocckk aanndd vviibbrraattiioonn.. NASA has pioneered several new applications for magnetostrictive actuators designed to generate motion at cryogenic temperatures. The reason for choosing a magnetostrictive (instead of, say, a piezoelectric) actuator to obtain small increments of motion is that magnetostrictive actuators function throughout the desired temperature range and even work better as temperature decreases, whereas piezoelectric actuators tend to become inoperable in cryogenic environments. OOnnee ooff NNAASSAA’’ss ddeevviicceess iiss aa mmaaggnneettoossttrriiccttiivveellyy aaccttuuaatteedd ppuummpp tthhaatt hhaass bbeeeenn ddeevveellooppeedd ttoo ssaattiissffyy aa nneeeedd ffoorr aa ssmmaallll,, llooww--pprreessssuurree,, hhiigghh--ffllooww--rraattee fflluuiidd ppuummpp tthhaatt ccoonnttaaiinnss ffeeww mmoovviinngg ppaarrttss aanndd ccaann rruunn rreelliiaabbllyy ffoorr lloonngg ppeerriiooddss wwiitthhoouutt mmaaiinntteennaannccee.. TThhee ppuummpp ccoouulldd bbee uusseedd,, ffoorr eexxaammppllee,, ttoo cciirrccuullaattee wwaatteerr iinn tthhee ppoorrttaabbllee lliiffee--ssuuppppoorrtt ssyysstteemm wwoorrnn bbyy aa ffiirreeffiigghhtteerr oorr aa cchheemmiiccaall wwoorrkkeerr oorr iinn aannyy sseettttiinngg wwhheerree rreelliiaabbiilliittyy iiss iimmppoorrttaanntt aanndd mmaaiinntteennaannccee iiss ddiiffffiiccuulltt.. TThhee ppuummpp iiss ddeessiiggnneedd pprriimmaarriillyy ffoorr wwaatteerr aass tthhee ppuummppeedd fflluuiidd,, bbuutt iitt ccoouulldd aallssoo bbee uusseedd wwiitthh ootthheerr fflluuiiddss,, iinncclluuddiinngg ccrryyooggeenniicc oonneess.. AAnnootthheerr NNAASSAA iinnnnoovvaattiioonn iiss aa mmaaggnneettoossttrriiccttiivvee vvaallvvee ffoorr rreemmootteellyy ccoonnttrroolllliinngg aa ffllooww ooff lliiqquuiidd hheelliiuumm.. TThhee aaccttuuaattoorr iinn tthhiiss vvaallvvee iiss aa mmaaggnneettoossttrriiccttiivvee ddeevviiccee ssuurrrroouunnddeedd bbyy aa ssoolleennooiidd ddrriivvee ccooiill tthhaatt ggeenneerraatteess tthhee mmaaggnneettiicc ffiieelldd nneeeeddeedd ffoorr aaccttuuaattiioonn.. TThhee mmaaggnneettoossttrriiccttiivvee ffiilltteerr--wwhheeeell ddrriivvee iiss aann uunnuussuuaall NNAASSAA mmeecchhaanniissmm tthhaatt rroottaatteess aann ooppttiiccaall ffiilltteerr wwhheeeell ffoorr aa hhiigghh--ppeerrffoorrmmaannccee iinnffrraarreedd ccaammeerraa oorr tteelleessccooppee.. TThhiiss ddrriivvee ccoouulldd bbee ooppeerraatteedd aatt aannyy tteemmppeerraattuurree ffrroomm aammbbiieenntt ddoowwnn ttoo nneeaarr aabbssoolluuttee zzeerroo.. MMoorreeoovveerr,, iinn ccoommppaarriissoonn wwiitthh aa sstteeppppiinngg--mmoottoorr ddrriivvee,, tthhee mmaaggnneettoossttrriiccttiivvee ddrriivvee iiss ssiimmpplleerr,, lleessss eexxppeennssiivvee,, aanndd mmoorree rreelliiaabbllee.. AAnn ““iinncchhwwoorrmm”” lliinneeaarr aaccttuuaattoorr iiss aallssoo bbeeiinngg ddeevveellooppeedd tthhaatt aaccccoommpplliisshheess iittss ppuusshh//ppuullll mmoovveemmeenntt vviiaa aa ccoommbbiinnaattiioonn ooff mmaaggnneettoossttrriiccttiioonn aanndd mmaaggnneettiicc ccllaammppiinngg.. IItt wwiillll mmoovvee aa mmaassss aass llaarrggee aass 22 kkgg aalloonngg rraaiillss,, wwiitthh lleennggtthhwwiissee ppoossiittiioonn ccoonnttrroollllaabbllee iinn iinnccrreemmeennttss aass ssmmaallll aass 5500 nnmm.. TThhee aaccttuuaattoorr ccoouulldd bbee ooppeerraatteedd iinn mmiiccrrooggrraavviittyy oorr iinn nnoorrmmaall eeaarrtthh ggrraavviittaattiioonn aanndd aatt aannyy tteemmppeerraattuurree ffrroomm aammbbiieenntt ddoowwnn ttoo ccrryyooggeenniicc.. TThhee aaccttuuaattoorr wwiillll bbee uusseedd ttoo ppoossiittiioonn aann ooppttiiccaall aasssseemmbbllyy pprreecciisseellyy oonn aa lloonngg iinntteerrffeerroommeetteerr aarrmm,, aass aa ttrraannssllaattiioonn ssttaaggee ffoorr aa ssccaannnniinngg ttuunnnneelliinngg mmiiccrroossccooppee,, aanndd aass aa ttrraannssllaattiioonn ssttaaggee ffoorr iinnssppeeccttiinngg iinntteeggrraatteedd--cciirrccuuiitt cchhiippss.. IIVV.. RReeffeerreenncceess:: AAbboouutt MMTTSS ((22000000)) TTiimmeelliinnee [[OOnn--lliinnee]],, AAvvaaiillaabbllee:: hhttttpp::////wwwwww..lleevveellpplluuss..ccoomm//aabboouutt//ttiimmeelliinnee..hhttmmll MMaaggnneettiicc’’ss GGrroouupp ((22000000)) MMaaggnneettiicc MMaatteerriiaallss aanndd TThheeiirr AApppplliiccaattiioonnss [[OOnn--lliinnee]],, AAvvaaiillaabbllee:: hhttttpp::////wwwwww..eenncc..hhuullll..aacc..uukk//AAPP//mmaaggnneettiiccss//……//MMaaggnneettoossttrriiccttiioonn//mmaaggnneettoossttrriiccttiioonn..hhttmmll NNAASSAA TTeecchh BBrriieeffss,, TTeecchhnnoollooggyy TTrraannssffeerr,, NNaattiioonnaall AAeerroonnaauuttiiccss aanndd SSppaaccee AAddmmiinniissttrraattiioonn,, WWaasshhiinnggttoonn,, DDCC,, AAuugguusstt 11999999,, VVooll.. 2233,, NNoo.. 88,, pp.. 4444 –– 4488..

Page 6.666.33

NNAASSAA TTeecchh BBrriieeffss,, TTeecchhnnoollooggyy TTrraannssffeerr,, NNaattiioonnaall AAeerroonnaauuttiiccss aanndd SSppaaccee AAddmmiinniissttrraattiioonn,, WWaasshhiinnggttoonn,, DDCC,, DDeecceemmbbeerr 11999999,, VVooll.. 2233,, NNoo.. 1122,, pp.. 77bb ––99bb.. PPhhyyssiiccss ((22000000)) MMaaggnneettoossttrriiccttiioonn [[OOnn--lliinnee]],, AAvvaaiillaabbllee:: hhttttpp::////wwwwww..pphhyyssiiccss..hhuullll..aacc..uukk//mmaaggnneettiiccss//RReesseeaarrcchh//FFaacciilliittiieess//MMaaggnneettoossttrriiccttiioonn//mmaaggnneettoossttrriiccttiioonn..hhttmmll)) TTeemmppoossoonniiccss GGlloossssaarryy ((22000000)) TTeecchhnnoollooggyy // GGlloossssaarryy // MMaaggnneettoossttrriiccttiioonn [[OOnn--lliinnee]],, AAvvaaiillaabbllee:: hhttttpp::////wwwwww..mmttsssseennssoorrss..ccoomm//gglloossssaarryy//gglloossssaarryy22..hhttmmll BBiibblliiooggrraapphhyy:: DDrr.. JJoohhnn AA.. MMaarrsshhaallll iiss tthhee IInntteerrnnsshhiipp CCoooorrddiinnaattoorr ffoorr tthhee DDeeppaarrttmmeenntt ooff TTeecchhnnoollooggyy aatt tthhee UUnniivveerrssiittyy ooff SSoouutthheerrnn MMaaiinnee.. HHiiss aarreeaass ooff ssppeecciiaalliizzaattiioonn iinncclluuddee PPoowweerr aanndd EEnneerrggyy PPrroocceessssiinngg,, EElleeccttrroonniicc CCoonnttrrooll SSyysstteemmss,, PPllaanntt LLaayyoouutt //MMaatteerriiaall HHaannddlliinngg,, aanndd IInndduussttrriiaall DDiissttrriibbuuttiioonn..

Page 6.666.34

EEaarrtthhqquuaakkeess,, MMaatteerriiaallss aanndd aann EEddiibbllee VViillllaaggee:: AAnn EEdduuccaattiioonnaall EExxppeerriimmeenntt ffoorr HHiigghh SScchhooooll SSttuuddeennttss

NNeeddaa FFaabbrriiss

CCaalliiffoorrnniiaa SSttaattee UUnniivveerrssiittyy LLooss AAnnggeelleess LLooss AAnnggeelleess CCAA 9900003322

AAbbssttrraacctt TThhiiss ppaappeerr ddeessccrriibbeess hhaannddss oonn eexxppeerriimmeennttss tthhaatt ddeemmoonnssttrraattee tthhee iinnfflluueennccee ooff ssooiill,, ccoonnssttrruuccttiioonn mmaatteerriiaall aanndd aa ssttrruuccttuurree’’ss sshhaappee aanndd ssiizzee oonn tthhee ppeerrffoorrmmaannccee ooff aa bbuuiillddiinngg dduurriinngg eeaarrtthhqquuaakkeess.. PPaarrttiicciippaannttss iinn tthhee eexxppeerriimmeenntt bbuuiilldd ssttrruuccttuurreess ffrroomm ttooootthhppiicckkss,, mmaarrsshhmmaalllloowwss,, bbrreeaaddssttiicckkss aanndd gguummmmyy bbaallllss aanndd ppllaaccee tthheemm oonn tthhee ttwwoo ccoonnttaaiinneerrss wwiitthh ddiiffffeerreenntt ttyyppeess ooff ""ssooiill"".. ""SSooiill"" iiss mmaaddee ffrroomm ccllaayy ttoo rreepprreesseenntt bbeeddrroocckk aanndd ffrroomm ggeellaattiinn ttoo rreepprreesseenntt llaannddffiillll.. TThhee ccoonnttaaiinneerrss aarree tthheenn sshhaakkeenn mmaannuuaallllyy,, ssiimmuullaattiinngg aann eeaarrtthhqquuaakkee,, wwhhiillee ppaarrttiicciippaannttss oobbsseerrvvee tthhee bbeehhaavviioorr ooff ddiiffffeerreenntt ssttrruuccttuurreess.. TThhee eexxppeerriimmeennttss aarree ffuunn,, aass wweellll aass eedduuccaattiioonnaall,, aanndd aarree ssuuiittaabbllee ffoorr oouuttrreeaacchh aaccttiivviittiieess aanndd ddeemmoonnssttrraattiioonnss ooff ssttrruuccttuurraall ddeessiiggnn pprriinncciipplleess iinn tthhee ""IInnttrroodduuccttiioonn ttoo EEnnggiinneeeerriinngg"" ccllaassss.. KKeeyy WWoorrddss:: NNaattuurraall FFrreeqquueennccyy,, SSttiiffffnneessss,, MMaassss,, RReessoonnaannccee PPrreerreeqquuiissiittee KKnnoowwlleeddggee:: AA bbaassiicc kknnoowwlleeddggee ooff aallggeebbrraa aanndd pphhyyssiiccss aass wweellll aass aa ccuurriioossiittyy ttoo uunnddeerrssttaanndd wwhhaatt ccaauusseess ssoommee ssttrruuccttuurreess ttoo wwiitthhssttaanndd eeaarrtthhqquuaakkeess bbeetttteerr tthhaann ootthheerrss ddoo.. OObbjjeeccttiivveess:: TThhee oobbjjeeccttiivvee ooff tthhiiss eexxppeerriimmeenntt iiss ttoo iinnttrroodduuccee tthhee ppaarrttiicciippaannttss ttoo ssttrruuccttuurraall aanndd mmaatteerriiaallss eennggiinneeeerriinngg bbyy ddeemmoonnssttrraattiinngg iimmppoorrttaanntt ccoonncceeppttss iinn mmaatteerriiaallss,, vviibbrraattiioonnss aanndd ddyynnaammiiccss ooff ssttrruuccttuurreess uussiinngg ssttrruuccttuurreess tthhaatt tthheeyy bbuuiilldd ffrroomm eevveerryy ddaayy oobbjjeeccttss.. EEqquuiippmmeenntt aanndd MMaatteerriiaallss:: NNoo ssppeecciiaall eeqquuiippmmeenntt iiss nneecceessssaarryy.. TThhee aammoouunntt ooff mmaatteerriiaall uusseedd iiss ddeeppeennddeenntt uuppoonn hhooww mmaannyy ggrroouuppss ooff ppaarrttiicciippaannttss tthheerree aarree.. TThhee lliisstt ooff mmaatteerriiaall bbeellooww iiss bbaasseedd oonn oonnee ggrroouupp aanndd hhaass ttoo bbee mmuullttiipplliieedd bbyy tthhee nnuummbbeerr ooff ggrroouuppss.. WWee lliikkee ttoo tteeaamm ffoouurr--ffiivvee ppeeooppllee iinn oonnee ggrroouupp.. 11.. 22 ppoouunnddss ooff ffiirrmm aarrttiisstt ccllaayy 22.. 22 llaarrggee ppaacckkaaggeess ggeellaattiinn ddeesssseerrtt 33.. 22 ppaacckkaaggee uunnffllaavvoorreedd ggeellaattiinn 44.. BBooiilliinngg wwaatteerr 55.. BBooxx ooff ttooootthhppiicckkss 66.. 11 ppoouunndd mmaarrsshhmmaalllloowwss 77.. 11 ppoouunndd ooff JJeellllyy DDrrooppss ((""SSppiiccee DDrrooppss"")) oorr gguummmmyy bbaallllss 88.. 11 ppoouunndd ooff bbrreeaaddssttiicckkss 99.. 99""xx 66"" ccoonnttaaiinneerr

Page 6.666.35

SSaaffeettyy PPrreeccaauuttiioonnss:: TThhee oonnllyy ppoossssiibbllee pprroobblleemm wwiitthh tthhiiss eexxppeerriimmeenntt iiss tthhee mmeessss ccrreeaatteedd bbyy ssppiilllliinngg ggeellaattiinn dduurriinngg tthhee pprreeppaarraattiioonn ppeerriioodd,, aass wweellll aass aa tteemmppttaattiioonn ttoo eeaatt,, tthhrrooww aanndd ppllaayy wwiitthh ""ssttrruuccttuurraall eelleemmeennttss.."" II.. IInnttrroodduuccttiioonn TThhiiss eexxppeerriimmeenntt wwaass ddeevveellooppeedd ffoorr tthhee ""AAllll GGeeaarreedd UUpp"" GGiirrll SSccoouutt EEnnggiinneeeerriinngg PPrrooggrraamm iinn FFeebbrruuaarryy 22000000.. IItt wwaass aallssoo ppeerrffoorrmmeedd sseevveerraall ttiimmeess bbyy tthhee ppaarrttiicciippaannttss ooff tthhee ""MMootthheerr--DDaauugghhtteerr"" AAccaaddeemmyy aatt CCaalliiffoorrnniiaa SSttaattee UUnniivveerrssiittyy,, LLooss AAnnggeelleess dduurriinngg sspprriinngg aanndd ssuummmmeerr 22000000.. TThhee eexxppeerriimmeenntt wwaass vveerryy wweellll rreecceeiivveedd,, dduuee ttoo iittss iinntteerraaccttiivvee ccoommppoonneennttss aanndd ssiimmppllee bbuutt iinnssiigghhttffuull eexxppllaannaattiioonn ooff tthhee ccoommmmoonn pphheennoommeennaa iinn LLooss AAnnggeelleess:: eeaarrtthhqquuaakkeess.. PPaarrttiicciippaannttss wwoorrkkeedd iinn tteeaammss,, uusseedd tthheeiirr oowwnn ccrreeaattiivviittyy aanndd hhaadd ffuunn wwhhiillee lleeaarrnniinngg sseevveerraall eennggiinneeeerriinngg aanndd sscciieennttiiffiicc ccoonncceeppttss.. IIII.. TThheeoorreettiiccaall BBaacckkggrroouunndd EEaarrtthhqquuaakkee wwaavveess pprrooppaaggaattee tthhrroouugghh tthhee ggrroouunndd wwiitthh aa ffrreeqquueennccyy bbeettwweeeenn 00--2200 HHZZ.. TThhee ssttrruuccttuurree tthhaatt hhaass aa ffiirrsstt nnaattuurraall ffrreeqquueennccyy iinn tthhaatt rraannggee wwiillll bbee pprroonnee ttoo rreessoonnaannccee,, ccaauussiinngg eexxtteennssiivvee ddaammaaggee.. TToo aavvooiidd rreessoonnaannccee,, hhiigghh aammpplliittuuddee sshhaakkiinngg aanndd ppootteennttiiaall ddaammaaggee,, tthhee ggooaall ooff eennggiinneeeerrss iiss ttoo ddeessiiggnn aanndd bbuuiilldd ssttrruuccttuurreess wwiitthh aa nnaattuurraall ffrreeqquueennccyy tthhaatt iiss hhiigghheerr tthhaann tthhee rraannggee ooff aann eeaarrtthhqquuaakkee ffrreeqquueennccyy.. FFiirrsstt nnaattuurraall ffrreeqquueennccyy ff ooff tthhee uunnddaammppeedd ssiinnggllee ddeeggrreeee--ooff--ffrreeeeddoomm ssyysstteemm ooff mmaassss mm aanndd ssttiiffffnneessss kk ccaann bbee eexxpprreesssseedd aass11::

m

kf

π2

1= ((11))

WWhheerree:: kk iiss tthhee ssttiiffffnneessss iinn llbb..//iinn.. oorr NN//mm.. mm iiss tthhee mmaassss iinn llbb.. mmaassss oorr kkgg NNaattuurraall ffrreeqquueenncciieess ooff tthhee uunnddaammppeedd,, lluummppeedd ppaarraammeetteerr ssyysstteemm wwiitthh mmoorree tthheenn oonnee ddeeggrreeee ooff ffrreeeeddoomm iiss ggiivveenn bbyy aa ssiimmiillaarr eeqquuaattiioonn

m

kCf

π2= ((22))

WWhheerree CC iiss tthhee ffuunnccttiioonn ooff nnuummbbeerr ooff ddeeggrreeeess aanndd rraattiioo ooff mmaassss aanndd ssttiiffffnneessss ooff eeaacchh ddeeggrreeee ooff ffrreeeeddoomm iinn tthhee ssyysstteemm.. FFoorr eexxaammppllee,, ffoorr tthhee tthhrreeee ddeeggrreeee--ooff--ffrreeeeddoomm ssyysstteemm,, ccoonnssiissttiinngg ooff tthhrreeee eeqquuaall mmaasssseess mm aanndd tthhrreeee eeqquuaall sspprriinnggss kk:: CC==00..444455 ffoorr tthhee ffiirrsstt,, 11..2255 ffoorr tthhee sseeccoonndd aanndd 11..8800 ffoorr tthhee tthhiirrdd nnaattuurraall ffrreeqquueennccyy22..

Page 6.666.36

AAlltthhoouugghh ssttrruuccttuurreess aarree ccoonnttiinnuuoouuss ssyysstteemmss wwiitthh ssoommee ddaammppiinngg pprrooppeerrttiieess,, tthhiiss ssiimmpplliiffiieedd mmooddeell iiss oofftteenn uusseedd iinn eennggiinneeeerriinngg ssttuuddiieess aanndd wwoorrkkss vveerryy wweellll ffoorr iinnttrroodduucciinngg ppaarrttiicciippaannttss ttoo tthhee mmoosstt iimmppoorrttaanntt ffaaccttoorrss iinn ssttrruuccttuurraall aanndd sseeiissmmiicc ddeessiiggnn,, wwhhiicchh ccaann bbee ssuummmmaarriizzeedd aass:: AA ssttrruuccttuurree wwiitthh aa ssmmaallll mmaassss ((wweeiigghhtt)) aanndd aa hhiigghh ssttiiffffnneessss hhaass aa hhiigghh nnaattuurraall ffrreeqquueennccyy.. IIff tthhaatt ffrreeqquueennccyy iiss aabboovvee aann eeaarrtthhqquuaakkee ffrreeqquueennccyy tthhee bbuuiillddiinngg wwiillll nnoott rreessoonnaattee dduurriinngg eeaarrtthhqquuaakkeess aanndd iitt wwiillll nnoott ssuussttaaiinn ssuubbssttaannttiiaall ddaammaaggee.. HHiigghh ssttiiffffnneessss iinn aa ssttrruuccttuurree iiss aacchhiieevveedd bbyy uussiinngg bbuuiillddiinngg mmaatteerriiaallss wwiitthh hhiigghheerr mmoodduulluuss ooff eellaassttiicciittyy ((lliikkee sstteeeell oorr rreeiinnffoorrcceedd ccoonnccrreettee)) oorr mmaatteerriiaall wwiitthh llooww wweeiigghhtt lliikkee wwoooodd.. HHeeaavvyy mmaatteerriiaallss ((ssttoonnee,, bbrriicckk aanndd ccoonnccrreettee bblloocckkss)) wwhhiicchh aarree ccoonnnneecctteedd ttoo mmaatteerriiaall wwiitthh llooww ssttiiffffnneessss,, iiss ffoorrbbiiddddeenn ffoorr ssttrruuccttuurraall uussee iinn eeaarrtthhqquuaakkee pprroonnee aarreeaass.. NNaattuurraallllyy,, ssttiiffffnneessss ooff tthhee ssuuppppoorrtt ((ttyyppee ooff ggrroouunndd aanndd aanncchhoorriinngg ooff tthhee ssttrruuccttuurree)) aass wweellll aass tthhee sshhaappee,, ssiizzee aanndd ddeessiiggnn ooff aa ssttrruuccttuurree,, ppllaayy aann iimmppoorrttaanntt rroollee iinn tthhee aaccttuuaall ssttiiffffnneessss ooff tthhee ssttrruuccttuurree.. IIIIII.. EExxppeerriimmeennttaall DDeemmoonnssttrraattiioonnss IInn oorrddeerr ttoo ddeemmoonnssttrraattee ccoonncceeppttss ddiissccuusssseedd aabboovvee,, wwee pprreeppaarreedd iinn aaddvvaannccee tthhee ""ssooiill"" ffoorr tthhee eexxppeerriimmeennttss:: aa "" bbeeddrroocckk"" ppllaattee mmaaddee ffrroomm ccllaayy iinn tthhee ccoonnttaaiinneerr aanndd ""llaannddffiillll"" ssooiill mmaaddee ffrroomm ggeellaattiinn.. GGeellaattiinn ddeesssseerrtt aanndd uunnffllaavvoorreedd ggeellaattiinn wweerree mmiixxeedd ttooggeetthheerr aanndd pprreeppaarreedd aaccccoorrddiinngg ttoo ddiirreeccttiioonnss ffoorr tthhee ggeellaattiinn ddeesssseerrtt ttoo mmaakkee tthhiicckkeerr ggeellaattiinn tthhaatt iiss lleessss pprroonnee ttoo ssoofftteenniinngg dduurriinngg tthhee eexxppeerriimmeenntt.. UUssiinngg ddoouubbllee aammoouunnttss ooff ggeellaattiinn ddeesssseerrttss bbuutt uussiinngg 5500%% lleessss wwaatteerr ccaann pprroodduuccee aa ssiimmiillaarr eeffffeecctt.. TThhee mmiixxttuurree iiss ppoouurreedd iinnttoo aa 99xx66 PPlleexxiiggllaass bbaakkiinngg ppaann aanndd ccoooolleedd oovveerrnniigghhtt.. FFoorr tthhiiss eexxppeerriimmeenntt ggeellaattiinn mmuusstt bbee aatt lleeaasstt 11 iinn.. ddeeeepp.. WWee pprroovviiddeedd ppaarrttiicciippaannttss wwiitthh bbootthh ttrraayyss aanndd wwiitthh bbooxxeess ooff ttooootthhppiicckkss,, mmaarrsshhmmaalllloowwss,, jjeellllyy ddrrooppss aanndd bbrreeaadd ssttiicckkss.. PPaarrttiicciippaannttss aallssoo rreecceeiivveedd iinnssttrruuccttiioonnss aass rreepprroodduucceedd bbeellooww.. PPaarrttiicciippaannttss hhaadd ffuunn mmaakkiinngg oonnee--ssttoorryy,, ttwwoo-- aanndd tthhrreeee-- ssttoorryy bbuuiillddiinngg ooff ddiiffffeerreenntt sshhaappeess,, ssiizzeess aanndd ffrroomm ddiiffffeerreenntt mmaatteerriiaall,, aass sseeeenn ffrroomm tthhee ppiiccttuurreess bbeellooww.. WWee ppllaacceedd tthhee bbuuiillddiinnggss oonn tthhee ccllaayy aanndd ggeellaattiinn ""ssooiill"" aanndd tthheenn sshhooookk tthhee ccoonnttaaiinneerrss,, ssiimmuullaattiinngg eeaarrtthhqquuaakkeess,, wwhhiillee wwee oobbsseerrvveedd tthhee ddaammaaggee tthhaatt tthhee bbuuiillddiinnggss ssuussttaaiinneedd.. IInn tthhiiss eexxppeerriimmeenntt,, ppaarrttiicciippaannttss hhaavvee lleeaarrnneedd ffaasstt tthhaatt:: •• BBuuiillddiinnggss mmaaddee wwiitthh mmaarrsshhmmaalllloowwss ssuussttaaiinn lleessss sshhaakkiinngg tthheenn tthhoossee mmaaddee wwiitthh gguummmmyy ddrrooppss

((ddiiffffeerreennccee iinn ssttiiffffnneessss)) •• AA oonnee--ssttoorryy bbuuiillddiinngg iiss mmoorree rreessiissttaanntt ttoo sshhaakkiinngg tthhaann aa tthhrreeee--ssttoorryy bbuuiillddiinngg •• PPyyrraammiiddss sshhaappeess pprroovviiddee ffoorr tthhee ssttiiffffeesstt ssttrruuccttuurreess •• BBuuiillddiinnggss oonn aa ccllaayy ssuuppppoorrtt ccaann ssuussttaaiinn mmoorree sshhaakkiinngg tthhaann bbuuiillddiinnggss oonn ggeellaattiinn •• YYoouu ccaann iinnccrreeaassee tthhee ssttiiffffnneessss ooff aa bbuuiillddiinngg bbyy bbrraacciinngg iitt wwiitthh ddiiaaggoonnaall ssttiicckkss

Page 6.666.37

WWoorrkk SShheeeett GGiivveenn TToo SSttuuddeennttss TThhee ffoolllloowwiinngg iinnssttrruuccttiioonnss wweerree ggiivveenn ttoo ppaarrttiicciippaannttss..

AA.. EEaarrtthhqquuaakkee PPeerrffoorrmmaannccee ooff SSttrruuccttuurreess GGooaall:: TThhee ggooaall ooff tthhee wwoorrkksshhoopp iiss ttoo ddeemmoonnssttrraattee tthhee iinnfflluueennccee ooff tthhee ttyyppee ooff ssooiill ((eeaarrtthh)),, aass wweellll aass bbuuiillddiinnggss’’ ssiizzee,, sshhaappee aanndd mmaatteerriiaallss oonn tthhee ssttaabbiilliittyy aanndd eenndduurraannccee ooff ssttrruuccttuurreess dduurriinngg eeaarrtthhqquuaakkeess.. IInn SSoouutthheerrnn CCaalliiffoorrnniiaa wwee hhaavvee aallll eexxppeerriieenncceedd eeaarrtthhqquuaakkeess.. WWee hhaavvee aallssoo wwiittnneesssseedd tthhaatt ssoommee bbuuiillddiinnggss aanndd ssttrruuccttuurreess ffaallll aappaarrtt,, wwhhiillee ootthheerrss rreemmaaiinn iinnttaacctt.. WWhhyy ddooeess tthhiiss hhaappppeenn?? IInn tthhiiss wwoorrkksshhoopp wwee wwiillll iinnvveessttiiggaattee tthhrreeee iimmppoorrttaanntt ffaaccttoorrss tthhaatt iinnfflluueennccee tthhee bbeehhaavviioorr aanndd eenndduurraannccee ooff ssttrruuccttuurreess:: 11.. TTyyppee ooff ssooiill oonn wwhhiicchh bbuuiillddiinnggss aarree llooccaatteedd::

TToo ddeemmoonnssttrraattee tthhee eeffffeecctt ooff tthhee ggrroouunndd oonn tthhee iinntteeggrriittyy ooff ssttrruuccttuurreess,, wwee wwiillll mmaakkee aa ""tthhrreeee--ssttoorryy bbuuiillddiinngg"" ffrroomm ttooootthhppiicckkss aanndd mmaarrsshhmmaalllloowwss,, ccoonnnneeccttiinngg ttooootthhppiicckkss wwiitthh mmaarrsshhmmaalllloowwss iinn eeaacchh ccoorrnneerr.. WWee wwiillll eerreecctt aanndd sshhaakkee tthhiiss ""bbuuiillddiinngg"":: aa)) oonn ccllaayy ((wwhhiicchh rreepprreesseennttss bbeeddrroocckk)) bb)) oonn tthhee ttrraayy wwiitthh ggeellaattiinn ((wwhhiicchh rreepprreesseennttss llaannddffiillll))

WWhhaatt ddiidd yyoouu oobbsseerrvvee?? WWhhiicchh bbuuiillddiinngg wwiillll ssuurrvviivvee bbeetttteerr?? WWhhaatt cciittiieess wweerree ddaammaaggeedd tthhee mmoosstt dduurriinngg tthhee 11999944 NNoorrtthhrriiddggee eeaarrtthhqquuaakkee?? DDiidd tthhee cciittiieess bbuuiilltt iinn tthhee vvaalllleeyyss ((llaannddffiillllss)),, lliikkee NNoorrtthhrriiddggee,, oorr tthhee cciittiieess bbuuiilltt oonn tthhee hhiillllss ((bbeeddrroocckk)),, lliikkeess BBeevveerrllyy HHiillllss,, ssuussttaaiinn tthhee mmoosstt ddaammaaggee??

22.. SSiizzee ooff tthhee bbuuiillddiinngg

UUssiinngg ttooootthhppiicckkss aanndd mmaarrsshhmmaalllloowwss,, mmaakkee ffoouurr bbuuiillddiinnggss:: oonnee ssiinnggllee--ssttoorryy,, oonnee ttwwoo-- ssttoorryy,, oonnee--tthhrreeee ssttoorriieess aanndd oonnee ffoouurr--ssttoorryy hhiigghh.. PPuutt aallll ooff tthhee bbuuiillddiinnggss ""llaannddffiillll"" ((ttrraayy wwiitthh ggeellaattiinn)) aanndd sshhaakkee..

Page 6.666.38

WWhhaatt ddiidd yyoouu oobbsseerrvvee?? WWhhiicchh bbuuiillddiinngg ssuurrvviivveess bbeesstt,, aanndd wwhhyy?? TThhee mmoorree ssttoorriieess aa bbuuiillddiinngg hhaass,, tthhee mmoorree tthhee sshhaakkiinngg iiss aammpplliiffiieedd.. WWhheerree wwoouulldd yyoouu ffeeeell aann eeaarrtthhqquuaakkee mmoorree,, iinn aa rraanncchh hhoouussee oorr iinn aa sskkyyssccrraappeerr??

33.. SShhaappee ooff tthhee bbuuiillddiinngg UUssiinngg ttooootthhppiicckkss aanndd ""eeddiibbllee"" ccoonnssttrruuccttiioonn eelleemmeennttss ((bbrreeaaddssttiicckkss,, mmaarrsshhmmaalllloowwss,, aanndd ggeellaattiinn ccaannddiieess)),, ccoonnssttrruucctt bbuuiillddiinnggss ooff ddiiffffeerreenntt ssiizzeess aanndd sshhaappeess ((ccuubbee,, ppyyrraammiidd aanndd ootthheerrss,, bbee ccrreeaattiivvee)).. WWhhiicchh sshhaappee ssuurrvviivveedd tthhee ""eeaarrtthhqquuaakkee"" bbeesstt?? CCaann yyoouu gguueessss wwhhyy ppyyrraammiiddss aarree sseevveerraall tthhoouussaannddss ooff yyeeaarrss oolldd??

44.. IInnfflluueennccee ooff tthhee mmaatteerriiaall uusseedd iinn bbuuiillddiinngg tthhee ssttrruuccttuurree

MMaakkeess aa oonnee--ssttoorryy ""bbuuiillddiinngg"" ffrroomm bbrreeaaddssttiicckkss aanndd mmaarrsshhmmaalllloowwss aanndd aann ootthheerr wwiitthh bbrreeaaddssttiicckkss aanndd jjeellllyy ccaannddiieess ((rroouugghhllyy tthhee ssaammee ssiizzee aanndd sshhaappee))..

WWhhiicchh oonnee ooff yyoouurr mmaatteerriiaallss,, aa mmaarrsshhmmaalllloowwss oorr jjeellllyy ccaannddyy,, iiss ssttrroonnggeerr aanndd ssttiiffffeerr?? WWhhiicchh oonnee ssuurrvviivveedd tthhee eeaarrtthhqquuaakkee bbeetttteerr?? NNoottee:: TThhee eeaarrtthh sshhaakkeess aatt tthhee rreellaattiivveellyy llooww ffrreeqquueennccyy ooff 00--2200 HHZZ ((ccyycclleess ppeerr sseeccoonndd)).. AA bbuuiillddiinngg sshhoouulldd bbee ddeessiiggnneedd ttoo hhaavvee aa hhiigghheerr nnaattuurraall ffrreeqquueennccyy ((tthhee ffrreeqquueennccyy wwhheenn iitt vviibbrraatteess wwiitthh llaarrggeesstt aammpplliittuuddee)) tthhaann tthhee ffrreeqquueennccyy ooff tthhee ggrroouunndd ssoo tthhaatt iitt ddooeess nnoott rreessoonnaattee wwiitthh tthhee ggrroouunndd ((rreessoonnaannccee aammpplliiffiieess tthhee vviibbrraattiioonn)).. TThhee nnaattuurraall ffrreeqquueennccyy ooff aa oonnee--ssttoorryy bbuuiillddiinngg iiss pprrooppoorrttiioonnaall ttoo tthhee ssqquuaarree rroooott ooff tthhee ssttiiffffnneessss ddiivviiddeedd bbyy iittss mmaassss.. TThhaatt mmeeaannss:: bbuuiillddiinnggss wwiitthh llooww ssttiiffffnneessss aanndd llaarrggee mmaassss ddoo nnoott wwiitthhssttaanndd eeaarrtthhqquuaakkeess vveerryy wweellll ((lliikkee tthhoossee mmaaddee ffrroomm hheeaavvyy ssttoonneess oorr bbrriicckkss wwiitthh nnoott ssoo ssttiiffff cceemmeenntt ccoonnnneeccttiioonnss)),, wwhhiillee tthhee bbuuiillddiinnggss mmaaddee ffrroomm ssttrroonngg aanndd ssttiiffff mmaatteerriiaall,, lliikkee sstteeeell oorr lliigghhtt wwoooodd,, ssuurrvviivvee eeaarrtthhqquuaakkeess vveerryy wweellll..

BB.. DDeessiiggnn ooff aann EEaarrtthhqquuaakkee RReessiissttaanntt EEddiibbllee ""VViillllaaggee""

WWhheenn yyoouu hhaavvee lleeaarrnneedd aanndd uunnddeerrssttoooodd aallll ooff tthhee aabboovvee,, mmaakkee aa vviillllaaggee ffrroomm ""eeddiibbllee"" bbuuiillddiinngg eelleemmeennttss ((ii..ee.. bbrreeaaddssttiicckkss,, mmaarrsshhmmaalllloowwss,, jjeellllyy bbeeaannss)) tthhaatt wwiillll,, iinn yyoouurr ooppiinniioonn,, ssuurrvviivvee tthhee eeaarrtthhqquuaakkee tthhee bbeesstt.. YYoouurr vviillllaaggee sshhoouulldd ccoonnssiisstt ooff ffiivvee bbuuiillddiinnggss,, nnoo ttwwoo eexxaaccttllyy tthhee ssaammee.. WWee wwiillll tteesstt eeaacchh vviillllaaggee ffoorr eeaarrtthhqquuaakkee ssuurrvviivvaall oonn tthhee ggeellaattiinn ttrraayy..

LLeett’’ss sseeee wwhhoo’’ss vviillllaaggee wwiillll bbee tthhee bbeesstt!! TThhee bbeesstt ggrroouupp ooff ddeessiiggnneerrss wwiillll bbee rreeccooggnniizzeedd aass tthhee mmoosstt pprroommiissiinngg cciivviill eennggiinneeeerrss.. GGoooodd lluucckk!! AAfftteerr tthhee bbuuiillddiinnggss wweerree ffiinniisshheedd,, wwee hheellppeedd ssttuuddeennttss ppllaaccee tthhee ssttrruuccttuurree oonn ggeellaattiinn aanndd ccllaayy bbaasseess aanndd tthheenn sshhooookk tthhee ccoonnttaaiinneerrss ttoo ssiimmuullaattee eeaarrtthhqquuaakkeess.. IIVV.. DDiissccuussssiioonn aanndd CCoonncclluussiioonnss

Page 6.666.39

IInn aaddddiittiioonn ttoo bbeeiinngg ffuunn tthhiiss eexxppeerriimmeenntt wwaass aann eedduuccaattiioonnaall eexxppeerriieennccee ffoorr ppaarrttiicciippaannttss,, aanndd iitt ddeemmoonnssttrraatteedd ttoo tthhee ssttuuddeennttss sseevveerraall iimmppoorrttaanntt pphhyyssiiccaall ccoonncceeppttss.. TThhee iiddeeaa ffoorr tthhiiss wwoorrkksshhoopp ccaammee ffrroomm mmyy ddaauugghhtteerr’’ss sscciieennccee tteexxttbbooookk,, wwhhiicchh sshhee uusseedd ttoo tteeaacchh hhiigghh sscchhooooll sscciieennccee..33 IInn tthhee tteexxttbbooookk,, tthhee eexxppeerriimmeennttss wweerree ccoonndduucctteedd wwiitthh oonnllyy iiddeennttiiccaall ttyyppeess ooff ""bbuuiillddiinnggss"":: tthhrreeee--ssttoorryy bbuuiillddiinnggss mmaaddee ffrroomm ttooootthhppiicckkss aanndd mmaarrsshhmmaalllloowwss aanndd ppllaacceedd oonn ttwwoo ddiiffffeerreenntt ttyyppeess ooff ggrroouunndd.. II hhaavvee eexxppaannddeedd tthhee ccoonncceepptt,, uussiinngg ddiiffffeerreenntt bbuuiillddiinngg mmaatteerriiaallss aanndd sshhaappeess aanndd aaddddeedd tthhee eexxppllaannaattiioonn ooff tthhee uunnddeerrlliinniinngg tthheeoorryy iinn ssiimmpplliiffiieedd tteerrmmss.. MMyy hhiigghh sscchhooooll ssttuuddeenntt aassssiissttaanntt wwaass iinnssttrruummeennttaall iinn ssuuggggeessttiinngg mmaatteerriiaall ffoorr tthhee bbuuiillddiinnggss ((GGuummmmyy DDrrooppss,, bbrreeaaddssttiicckkss)).. FFoorr tthhee GGiirrll SSccoouuttss EEnnggiinneeeerriinngg DDaayy,, wwee eexxppeecctteedd 220000 ppaarrttiicciippaannttss.. MMyy vvoolluunntteeeerr aassssiissttaannttss,, mmoossttllyy eennggiinneeeerriinngg ssttuuddeennttss aanndd mmeemmbbeerrss ooff tthhee SSoocciieettyy ooff WWoommeenn EEnnggiinneeeerrss,, aanndd II mmaaddee 1155 ttrraayyss ooff ggeellaattiinn,, mmaakkiinngg aa bbiigg mmeessss iinn oouurr hhoommeess.. AAccttuuaallllyy,, wwee ddiidd nnoott nneeeedd ssoo mmaannyy ttrraayyss,, ssiinnccee wwee hhaadd oonnllyy aapppprrooxxiimmaatteellyy110000 ppaarrttiicciippaannttss,, ssoo wwee uusseedd tthhee ssaammee ttrraayy ffoorr sseevveerraall ggrroouuppss ooff ssttuuddeennttss.. TThhee wwoorrkksshhoopp wwaass vveerryy wweellll rreecceeiivveedd bbyy ssttuuddeennttss,, ggiirrll ssccoouuttss cchhaappeerroonneess aanndd hheellppeerrss,, wwhhoo wweerree qquuiittee iinnttrriigguueedd ttoo sseeee hhooww eeaarrtthhqquuaakkee’’ ddaammaaggee ccaann bbee ssiimmppllyy ddeemmoonnssttrraatteedd aanndd eexxppllaaiinneedd.. WWee ccoonndduucctteedd tthhiiss eexxppeerriimmeenntt dduurriinngg ddiiffffeerreenntt sseessssiioonnss ooff,, mmyy ""MMootthheerr--DDaauugghhtteerr"" wwoorrkksshhooppss,, wwhheerree tthhee rreecceeppttiioonn wwaass aallssoo vveerryy ggoooodd.. TThhee eexxppeerriimmeenntt wwaass aallssoo ffeeaattuurreedd iinn tthhee llooccaall nneewwssppaappeerrss.. TThhiiss ttiimmee wwee mmaaddee oonnllyy ffoouurr ttrraayyss ooff ggeellaattiinn.. VV.. RReeffeerreenncceess:: 11.. SStteeiiddeell RR..FF.. JJrr,, AAnn IInnttrroodduuccttiioonn ttoo MMeecchhaanniiccaall VViibbrraattiioonnss,, ((33rrdd eedd..)),, JJ WWiilleeyy && SSoonnss,, NNeeww YYoorrkk,, 11998899 22.. HHaarrrriiss CC..MM.. aanndd CCrreeddee EE..CC.. ((EEddiittoorrss)),, SShhoocckk aanndd VViibbrraattiioonn HHaannddbbooookk ((22nndd eedd..)),, MMccGGrraaww--HHiillll,, NNeeww YYoorrkk,, 11997755 33.. AAllddrriiddggee BB.. aanndd aall.. SScciieennccee IInntteerraaccttiioonnss ((CCoouurrssee 11)),, MMaaccmmiillllaann//MMccGGrraaww--HHiillll,, NNeeww YYoorrkk,, 11999933 AAcckknnoowwlleeddggmmeenntt:: II wwoouulldd lliikkee ttoo tthhaannkk mmyy ddaauugghhtteerr,, NNiiccoollee FFaabbrriiss,, wwhhoo iiss aa ssttuuddeenntt iinn tthhee NNeeww YYoorrkk MMeeddiiccaall CCoolllleeggee,, ffoorr iinnttrroodduucciinngg mmee ttoo tthhiiss eexxppeerriimmeenntt aanndd hheellppiinngg wwiitthh iittss eexxeeccuuttiioonn.. AAllssoo mmyy tthhaannkkss ggooeess ttoo LLiissaa GGrroosssskkooppff--BBoouuttwweellll aanndd LLiinnzzii BBoouuttwweellll ffoorr ccoonnssttrruuccttiivvee ssuuggggeessttiioonnss aanndd oorrggaanniizzaattiioonn ooff aa GGiirrll SSccoouuttss EEnnggiinneeeerriinngg DDaayy.. II aamm eessppeecciiaallllyy tthhaannkkffuull ttoo NNSSFF,, DDiivviissiioonn ooff HHuummaann RReessoouurrccee DDeevveellooppmmeenntt,, ffoorr ssppoonnssoorrsshhiipp ooff tthhee ""MMootthheerr--DDaauugghhtteerr AAccaaddeemmyy"".. BBiiooggrraapphhiiccaall IInnffoorrmmaattiioonn:: NNeeddaa SS.. FFaabbrriiss hhaass ttaauugghhtt aatt CCaall.. SSttaattee LLAA ssiinnccee 11997799.. SShhee tteeaacchheess ccllaasssseess iinn mmaannuuffaaccttuurriinngg,, mmaatteerriiaallss,, mmeecchhaanniiccss aanndd ddeessiiggnn.. SShhee hhoollddss aa MMaasstteerr ooff EEnnggiinneeeerriinngg ddeeggrreeee ffrroomm tthhee UUnniivveerrssiittyy ooff SSaarraajjeevvoo,, BBoossnniiaa,, aanndd aa MM.. SS.. aanndd PPhh..DD.. ffrroomm IIlllliinnooiiss IInnssttiittuuttee ooff TTeecchhnnoollooggyy CChhiiccaaggoo IIllll,, aanndd

Page 6.666.40

wwaass aa ppoossttggrraadduuaattee rreesseeaarrcchheerr aatt TTeecchhnniisshhee HHoocchh SScchhuullee iinn AAaacchheenn,, GGeerrmmaannyy.. HHeerr rreecceenntt aawwaarrddss iinncclluuddee tthhee SSoocciieettyy ooff MMaannuuffaaccttuurriinngg EEnnggiinneeeerrss ""DDiissttiinngguuiisshheedd MMaannuuffaaccttuurriinngg EEdduuccaattoorr"" aawwaarrdd ooff RReeggiioonn 1122 ((SSoouutthhwweesstt UU..SS..)) iinn 11999988 aanndd tthhee ""FFiirrsstt CCaall SSttaattee LLAA DDiissttiinngguuiisshheedd WWoommeenn AAcchhiieevveemmeenntt AAwwaarrdd"" iinn 11999999.. SShhee hhaass ccoonnttrriibbuutteedd sseevveerraall ttiimmeess ttoo tthhiiss ccoonnffeerreennccee..

Page 6.666.41

TTWWIISSTTYY GGLLUUEE SSTTIICCKKSS oorr

TToorrssiioonnaall CChhaarraacctteerriissttiiccss ooff HHoott MMeelltt AAllll PPuurrppoossee GGlluuee SSttiicckkss

AAllaann KK.. KKaarrpplluuss DDeeppaarrttmmeenntt ooff MMeecchhaanniiccaall EEnnggiinneeeerriinngg

WWeesstteerrnn NNeeww EEnnggllaanndd CCoolllleeggee 11221155 WWiillbbrraahhaamm RRooaadd

SSpprriinnggffiieelldd,, MMAA 0011111199--22668844

KKeeyy WWoorrddss:: HHoott MMeelltt GGlluuee SSttiicckkss,, PPoollyymmeerr PPrrooppeerrttiieess,, TToorrssiioonn TTeessttss PPrreerreeqquuiissiittee KKnnoowwlleeddggee:: HHaavvee aann iiddeeaa aabboouutt hhooww aa tthheerrmmooppllaassttiicc hhoott mmeelltt gglluuee ssttiicckk ccaann bbee ttwwiisstteedd aanndd rreevveerrssee ttwwiisstteedd wwiitthhoouutt ffaaiilluurree,, aanndd sseevveerreellyy ttwwiisstteedd ttoo ccaauussee tthhee ssttiicckk ttoo bbrreeaakk aappaarrtt.. OObbjjeeccttiivvee:: TToo wwoorrkk aass aa tteeaamm mmeemmbbeerr iinn tthhee ccoolllleeccttiioonn ooff ddaattaa,, ttoo mmaakkee pplloottss ffoorr nneeaarr ccoonnssttaanntt rraattee ttwwiissttiinngg aanndd ((rreevveerrssee ttwwiissttiinngg)) ooff ttrraaddiittiioonnaall hhoott mmeelltt gglluuee ssttiicckkss,, aanndd ttoo sshhooww ffeeaattuurreess wwhhiicchh aarree uunniiqquuee ttoo tthheessee tthheerrmmooppllaassttiicc pprroodduuccttss:: •• SShheeaarr ssttrreessss -- sshheeaarr ssttrraaiinn pplloott •• SShheeaarr wwoorrkk ddoonnee ttoo ffaaiill ssaammppllee •• RReeccoovveerraabbllee wwoorrkk aanndd hhyysstteerrssiiss wwhheenn ssaammppllee iiss nnoott ffaaiilleedd •• RRaattee ooff llooaaddiinngg EEqquuiippmmeenntt aanndd MMaatteerriiaallss:: 11.. TTeenn iinncchh lloonngg hhoott mmeelltt gglluuee ssttiicckkss.. TThheessee aarree rreeaaddiillyy aavvaaiillaabbllee aatt hhoommee cceenntteerrss aass AArrrrooww™™ AAllll PPuurrppoossee CClleeaarr

GGlluuee SSttiiccxx ((MMooddeell AAPP1100)) wwhhiicchh ccoommee iinn aa bbooxx ooff 1122 -- 1100 iinncchh ssttiicckkss.. SSoommee ssuupppplliieerrss wwiillll ccaarrrryy aa vvaarriieettyy ssuucchh aass AAllll ppuurrppoossee,, SSllooww sseett,, aanndd wwhhiittee ccaauullkk//sseeaalleerr//gglluuee..

22.. TToorrssiioonn tteesstt aappppaarraattuuss.. SSeeee tthhee AAppppeennddiixx ttoo tthhiiss ppaappeerr ffoorr ccoonnssttrruuccttiioonn ooff aa ttoorrssiioonn tteesstteerr mmaaddee wwiitthh FFlleexx--aannggllee™™,, ttwwoo ½½ iinncchh ddiiaammeetteerr JJaaccoobbss ddrriillll cchhuucckkss,, ttwwoo ½½ iinncchh ddiiaammeetteerr ffiinnee tthhrreeaadd 22 ½½ iinncchh lloonngg bboollttss,, mmiisscceellllaanneeoouuss bboollttss aanndd wwaasshheerrss,, oonnee 44 iinncchh ddiiaammeetteerr LLaazzyy SSuussaann bbeeaarriinngg,, aanndd cchhiippbbooaarrdd ddiisskkss..

33.. CC--ccllaammppss ttoo hhoolldd tthhee ttoorrssiioonn tteesstteerr bbaassee ttoo aa ttaabbllee.. 44.. SSaaffeettyy GGoogggglleess 55.. HHeeaavvyy wwoorrkk gglloovveess 66.. LLooaadd ssccaallee ffoorr llooaaddss ttoo 1100 ppoouunnddss oorr 55 kkgg.. AA 2200 NNeewwttoonn ssccaallee wwoorrkkss,, aallssoo.. 77.. VVeerrnniieerr ccaalliippeerr.. 88.. BBllaacckk oorr ddaarrkk ccoolloorr MMaaggiicc mmaarrkkeerr.. 99.. DDaattaa ppaaggee wwiitthh 2255 lliinneess aanndd nniinnee ccoolluummnnss.. MMeeaassuurreemmeennttss aarree ttaakkeenn aatt 9900 ddeeggrreeee rroottaattiioonn iinnccrreemmeennttss ssttaarrttiinngg aatt aa

vvaalluuee ooff zzeerroo lliisstteedd iinn tthhee ffiirrsstt ccoolluummnn.. TThhee rreemmaaiinniinngg ccoolluummnnss aarree uusseedd iinn ppaaiirrss ttoo rreeccoorrdd llooaadd aanndd uunnllooaadd.. BBee ssuurree ttoo llaabbeell ccoolluummnnss aanndd iinncclluuddee uunniittss ooff mmeeaassuurree sseelleecctteedd..

1100.. AA SSpprreeaaddsshheeeett ssuucchh aass EEXXCCEELL™™.. AAllll wwoorrkk ppeerrffoorrmmeedd oonn tthhee sspprreeaaddsshheeeett ccaann bbee ddoonnee bbyy hhaanndd.. 1111.. WWhheenn tthhee ccoommppuuttaattiioonnss aarree ttoo bbee ddoonnee bbyy hhaanndd,, ccoommppuuttaattiioonn ppaappeerr aanndd sseevveerraall ppiieecceess ooff lliinneeaarr ggrraapphh ppaappeerr wwiitthh

2200 ddiivviissiioonnss ttoo tthhee iinncchh aarree nneeeeddeedd.. IInnttrroodduuccttiioonn:: TThhee iinniittiiaall cchhaalllleennggee iiss ttoo hhoolldd aa gglluuee ssttiicckk iinn yyoouurr hhaanndd aanndd ttoo ttwwiisstt iitt aabboouutt iittss lloonngg aaxxiiss.. TThhiiss iiss ddiiffffiiccuulltt ttoo ddoo!! OOnnee oobbjjeeccttiivvee iiss ttoo ddeessiiggnn aanndd bbuuiilldd aann aappppaarraattuuss wwhhiicchh wwiillll ttwwiisstt tthhee gglluuee ssttiicckk aanndd ootthheerr ssaammpplleess.. AA ttoorrssiioonn tteesstt aappppaarraattuuss hhaass bbeeeenn ddeessiiggnneedd ffrroomm rreeaaddiillyy aavvaaiillaabbllee ppaarrttss.. SSeeee tthhee AAppppeennddiixx ffoorr ddeettaaiilleedd ccoonnssttrruuccttiioonn iinnssttrruuccttiioonn ooff aann iinneexxppeennssiivvee ((lleessss tthhaann $$5500..0000)) ttoorrssiioonn tteesstteerr mmaaddee wwiitthh FFlleexx--AAnnggllee™™.. TThhiiss uunniitt rreeqquuiirreess ttwwoo ddiisskkss:: oonnee 44 iinncchh ddiiaammeetteerr aanndd oonnee 88 iinncchh ddiiaammeetteerr eeaacchh wwiitthh aa cciirrccuummffeerreennttiiaall ggrroooovvee ssoo tthhaatt tthhee ssaammee llooaadd ssccaallee ccaann bbee uusseedd aanndd tthhee aapppplliieedd ttoorrqquuee ccaann bbee ddoouubblleedd.. IInn ccaassee aa ddiiffffeerreenntt ttoorrqquuee rraannggee iiss ooff iinntteerreesstt aannootthheerr ddiisskk ddiiaammeetteerr ccaann bbee mmaaddee.. FFoorr tthhee AAllll PPuurrppoossee AArrrrooww

Page 6.666.42

GGlluuee ssttiicckkss tthhee ffoouurr iinncchh ddiiaammeetteerr ddiisskk wwiitthh ttoorrqquueess ooff uupp ttoo 22 iinncchheess ttiimmeess 1100 ppoouunnddss ccaann bbee aapppplliieedd.. IInn ffaacctt,, tthhee llooaadd ssccaallee uusseedd wwaass ccaalliibbrraatteedd iinn NNEEWWTTOONNSS ssoo tthhaatt aa mmaaxxiimmuumm ooff 22 iinncchheess ttiimmeess 2200 NNeewwttoonnss ddiivviiddeedd bbyy 44..444488 NNeewwttoonnss ppeerr ppoouunndd ffoorr 55..5500 iinncchh--ppoouunnddss ttoorrqquuee ccoouulldd bbee aapppplliieedd.. PPrroocceedduurree:: AA.. EEqquuiippmmeenntt SSeett UUpp:: TThhee iiddeeaa iiss ttoo ccuutt tthhee ½½ iinncchh ddiiaammeetteerr 1100 iinncchh lloonngg gglluuee ssttiicckk iinnttoo ttwwoo 55 iinncchh lloonngg ssttiicckkss.. BBootthh 55 iinncchh lloonngg ssttiicckkss aarree ttoo bbee tteesstteedd.. OOnn tthhee ssuurrffaaccee ooff eeaacchh ssttiicckk ddrraaww aa lliinnee ppaarraalllleell ttoo tthhee aaxxiiss oonn tthhee ssuurrffaaccee wwiitthh aa ‘‘MMaaggiicc’’ ffeelltt ttiipp mmaarrkkeerr.. TThhiiss iiss aa rreeffeerreennccee lliinnee.. TThhee FFiirrsstt TTeesstt iiss ttoo ttwwiisstt tthhee gglluuee ssttiicckk ttoo ffaaiilluurree.. IItt iiss hheellppffuull ttoo ddeessiiggnnaattee tthhaatt tthhee ttoorrssiioonn wwhheeeell wwiillll bbee llooaaddeedd ssoo tthhaatt iitt rroottaatteess cclloocckkwwiissee aass tthhee eexxppeerriimmeenntteerr llooookkss ddoowwnn oonn tthhee wwhheeeell.. NNooww ppllaaccee oonnee 55 iinncchh lloonngg ssttiicckk iinnttoo tthhee tteesstteerr bbyy iinnsseerrttiinngg -- oonnee aatt aa ttiimmee -- aann eenndd ooff tthhee ssttiicckk aallll tthhee wwaayy iinnttoo tthhee bboottttoomm cchhuucckk ((11 iinncchh ooff iinnsseerrttiioonn)) aanndd ccllaammpp tthhee cchhuucckk hhaanndd ttiigghhtt oonnttoo tthhee ssttiicckk ffoolllloowweedd bbyy ffoouurr rreevvoolluuttiioonnss ooff tthhee JJaaccoobbss kkeeyy iinn tthhee cchhuucckk ttoo aassssuurree ccaappttuurree ooff tthhee gglluuee ssttiicckk eenndd.. RReeppeeaatt tthhiiss ffoorr tthhee sseeccoonndd eenndd iinnttoo tthhee ttoopp cchhuucckk ((11 iinncchh ooff iinnsseerrttiioonn)).. PPrriioorr ttoo ttiigghhtteenniinngg tthhiiss cchhuucckk aalliiggnn tthhee aannggllee ppoossiittiioonn iinnddiiccaattoorr 1155 ddeeggrreeeess ccoouunntteerrcclloocckkwwiissee ttoo tthhee 00 ddeeggrreeee ssttaarrtt ppoossiittiioonn.. TThhiiss iiss ttoo bbee ssuurree ttoo ssttaarrtt wwiitthh aa 00 aannggllee rreeaaddiinngg.. TThheerree aarree aannggllee mmaarrkkiinnggss oonn tthhee ttoorrssiioonn wwhheeeell aatt 00,, 9900,, 118800,, 227700 aanndd 336600 oorr tthhee nneexxtt zzeerroo ((00)) ddeeggrreeee mmaarrkk.. LLooaaddss aarree ttoo bbee rreeaadd aatt eeaacchh ooff tthheessee ppoossiittiioonnss wwhhiillee tthhee llooaadd iiss aapppplliieedd ttoo tthhee 33 iinncchh ggaaggee lleennggtthh gglluuee ssttiicckk aanndd rreeccoorrddeedd.. NNoottee tthhaatt oonn tthhiiss pprriimmiittiivvee aappppaarraattuuss wwhheenn ssiixx ttuurrnnss ooff 336600 ddeeggrreeeess ttoorrqquuee wwhheeeell aarree aannttiicciippaatteedd aa lleennggtthh ooff 44 iinncchheess ttiimmeess PPii ((33..1144115577)) ttiimmeess 66 oorr ssoommee 7755 iinncchheess ooff ffiisshhiinngg lliinnee ccooiilleedd oonn tthhee ttoorrqquuee wwhheeeell wwiillll bbee uunnwwoouunndd.. BBee ssuurree ttoo pprroovviiddee pphhyyssiiccaall ssppaaccee ffoorr tthhiiss wwhheenn mmoouunnttiinngg tthhee aappppaarraattuuss oonn aa ttaabbllee.. AAllssoo bbee ssuurree tthhee ttaabbllee wwiillll nnoott mmoovvee.. WWhheenn tthhee ssttiicckk bbrreeaakkss tthhee wwhheeeell wwiillll ssppiinn.. GGeennttllyy aanndd rraappiiddllyy ssttoopp tthhee ssppiinnnniinngg wwhheeeell bbyy ccaattcchhiinngg tthhee ddiisskk ttoo aavvooiidd uunnwwiinnddiinngg mmuucchh ffiisshh lliinnee.. AA gglloovveedd hhaanndd wwoorrkkss wweellll ffoorr tthhiiss.. TThhee ddaattaa iiss ttoo bbee rreedduucceedd ttoo aapppplliieedd ttoorrqquuee aanndd aannggllee ooff ttwwiisstt wwhhiicchh aarree ttoo bbee ppllootttteedd ffiirrsstt.. AAfftteerr ssoommee ccoommppuuttaattiioonnss aann eennggiinneeeerriinngg sshheeaarr ssttrreessss aaggaaiinnsstt sshheeaarr ssttrraaiinn pplloott ccaann bbee mmaaddee.. TThhee wwoorrkk ddoonnee oonn tthhee ssaammppllee ccaann bbee ccoommppuutteedd aanndd ppllootttteedd,, ttoooo.. AAllssoo,, tthhee rraattee ooff llooaadd ((ttoorrqquuee)) aapppplliiccaattiioonn ccaann bbee iinnvveessttiiggaatteedd aanndd aa pplloott mmaaddee..

Page 6.666.43

TThhee SSeeccoonndd TTeesstt iiss bbaasseedd oonn oobbsseerrvvaattiioonnss mmaaddee ooff tthhee ddaattaa ccoolllleecctteedd iinn tthhee FFiirrsstt TTeesstt.. FFiinndd tthhee ‘‘eellaassttiicc’’ rreeccoovveerraabbllee rreeggiioonn ooff tthhee rreessppoonnssee ooff tthhee ffiirrsstt ffiivvee iinncchh lloonngg ssttiicckk ttoo ttwwiissttiinngg.. TThhiiss wwiillll bbee rreeaaddiillyy ffoouunndd wwhheenn tthhee llooaadd ((ttoorrqquuee)) aapppplliieedd lleevveellss ooffff,, bbuutt ddooeess nnoott ffaallll iinn mmaaggnniittuuddee.. TThhee ‘‘eellaassttiicc’’ rreeccoovveerraabbllee rreeggiioonn hhaass bbeeeenn ffoouunndd.. TThhee SSeeccoonndd TTeesstt bbeeggiinnss wwiitthh llooaaddiinngg aanndd rreeccoorrddiinngg tthhee llooaadd ((ttoorrqquuee)) aanndd aannggllee ooff ttwwiisstt aatt eeaacchh 9900 ddeeggrreeeess cclloocckkwwiissee tthhee ssttiicckk ttwwiisstt uupp ttoo aanndd iinncclluuddiinngg tthhee lleevveelleedd--ooffff llooaadd ((ttoorrqquuee)).. TThheenn tthhee ssaammppllee iiss ttoo bbee uunnllooaaddeedd wwhhiillee tthhee aapppplliieedd llooaadd ((ttoorrqquuee)) aanndd aannggllee ooff ttwwiisstt aarree rreeccoorrddeedd.. AAss iinn tthhee FFiirrsstt TTeesstt,, mmoouunntt tthhee 55 iinncchh lloonngg ssttiicckk wwiitthh 11 iinncchh iinnsseerrtteedd iinnttoo eeaacchh cchhuucckk ffoorr aa 33 iinncchh ggaaggee lleennggtthh iiss ttwwiisstteedd wwiitthh llooaadd ((ttoorrqquueess aapppplliieedd aatt ccoonnssttaanntt rraaddiiuuss)) rreeccoorrddeedd aatt 9900 ddeeggrreeeess ooff ttwwiisstt iinnccrreemmeenntt.. TThhee ddaattaa iiss ttoo bbee rreedduucceedd ssoo tthhaatt aapppplliieedd ttoorrqquuee aaggaaiinnsstt aannggllee ooff ttwwiisstt ccaann bbee ppllootttteedd ffoorr bbootthh tthhee cclloocckkwwiissee ttwwiissttiinngg ((UUppLLooaadd)) ooff tthhee ssaammppllee wwhheenn llooookkiinngg ddoowwnn oonn tthhee ttoopp ooff tthhee tteesstteerr aanndd tthhee ccoouunntteerrcclloocckkwwiissee ((DDwwLLooaadd)) rreelleeaassee ooff aapppplliieedd ttoorrqquuee oonn tthhee gglluuee ssttiicckk.. TThheenn aann eennggiinneeeerriinngg sshheeaarr ssttrreessss aaggaaiinnsstt sshheeaarr ssttrraaiinn pplloott ccaann bbee mmaaddee aafftteerr ccoommppuuttaattiioonn ooff sshheeaarr ssttrraaiinn aanndd sshheeaarr ssttrreessss aarree mmaaddee.. NNeexxtt tthhee wwoorrkk ddoonnee oonn tthhee ssaammppllee aanndd tthhee eenneerrggyy ssttoorreedd bbyy tthhee ssaammppllee ccaann bbee ccoommppuutteedd aanndd ppllootttteedd aaggaaiinnsstt sshheeaarr ssttrraaiinn.. AAnn hhyysstteerrssiiss ccooeeffffiicciieenntt ccaann aallssoo bbee ccoommppuutteedd.. FFiinnaallllyy,, tthhee rraattee ooff cclloocckkwwiissee aapppplliieedd ttoorrqquuee aapppplliiccaattiioonn iinn ccoonnttrraasstt ttoo rraattee ooff rreelleeaasseedd ttoorrqquuee ((ccoouunntteerrcclloocckkwwiissee rroottaattiioonn)) ccaann bbee iinnvveessttiiggaatteedd.. TThhiiss llaatttteerr ppaarrtt ooff tthhee eexxppeerriimmeenntt uupp--ttwwiisstt aanndd ddoowwnn--ttwwiisstt ffoolllloowwss tthhee pprreesseennttaattiioonn ooff SSttrreettcchhyy ““EEllaassttiicc”” BBaannddss,, SSttrreettcchhyy ““EEllaassttiicc”” BBaannddss IIII,, aanndd SSttrreettcchhyy ““EEllaassttiicc”” BBaannddss IIIIII pprreesseenntteedd aass NNEEWW:: UUppDDaattee:: 11999977,, 11999988,, aanndd 11999999 eexxppeerriimmeennttss,, rreessppeeccttiivveellyy bbyy tthhee aauutthhoorr.. BB.. CCoommppuuttaattiioonnss:: TThhee ccoommppuuttaattiioonnss ttoo bbee mmaaddee ffoorr tthhee FFiirrsstt TTeesstt pplloott ooff aapppplliieedd ttoorrqquuee aaggaaiinnsstt aannggllee ooff ttwwiisstt ttoo ssaammppllee ffaaiilluurree rreeqquuiirreess tthhee aapppplliieedd llooaadd ttoo bbee mmuullttiipplliieedd bbyy tthhee RRaaddiiuuss ooff tthhee ttoorrqquuee wwhheeeell wwhhiicchh iiss ttwwoo iinncchheess.. IInn aaddddiittiioonn,, wwhheenn EEnngglliisshh uunniittss aarree uusseedd aa ccoonnvveerrssiioonn ffrroomm NNeewwttoonnss ttoo PPoouunnddss iiss nneeeeddeedd.. TThhee cclloocckkwwiissee aannggllee ooff ttwwiisstt iinnccrreemmeennttss nneeeedd ttoo bbee rreeppllaacceedd bbyy ttoottaall aannggllee ssoo tthhaatt 00,, 9900,, 118800,, 227700,, 00,, 9900,, 118800,, 227700,, 00,, 9900,, 118800,, 227700 bbeeccoommee 00,, 9900,, 118800,, 227700,, 336600,, 445500,, 554400,, 663300,, 772200,, 881100,, 990000,, aanndd 999900 rreessppeeccttiivveellyy.. AAssssuummee ssiixx ((66)) rreevvoolluuttiioonnss aarree nneeeeddeedd ttoo ttwwiisstt tthhee ssttiicckk ttoo ffaaiilluurree ssoo tthhaatt 66 ttiimmeess 44 pplluuss 11 lliinneess oonn tthhee ddaattaa sshheeeett aarree nneeeeddeedd.. DDaattaa sshheeeett hheeaaddiinnggss sshhoouulldd bbee TTwwiisstt AAnnggllee iinn ddeeggrreeeess aanndd LLooaadd iinn NNeewwttoonnss ((wwhhiicchh bbeeccoommeess TToorrqquuee)).. TThhee pplloott ccaann rreeaaddiillyy bbee mmaaddee iinn aa sspprreeaaddsshheeeett eennvviirroonnmmeenntt.. TThhee SSeeccoonndd TTeesstt pplloott ooff eennggiinneeeerriinngg sshheeaarr ssttrreessss aaggaaiinnsstt eennggiinneeeerriinngg sshheeaarr ssttrraaiinn iiss rreeqquuiirreedd.. TThhee aannggllee ooff ttwwiisstt iiss ccoommppuutteedd ffoorr tthhee 11//44 iinncchh rraaddiiuuss tteesstt ssttiicckk ddiivviiddeedd bbyy tthhee ggaaggee lleennggtthh ooff 33 iinncchheess sseelleecctteedd iinn tthhiiss wwoorrkk mmuullttiipplliieedd bbyy tthhee aannggllee ooff ttwwiisstt iinn rraaddiiaannss ((oonnee rraaddiiaann eeqquuaallss 118800°°//PPii oorr 5577..3300°°)).. TThheerree aarree ttwwoo PPii rraaddiiaannss iinn oonnee rreevvoolluuttiioonn.. TThhee sshheeaarr ssttrraaiinn iiss mmoorree ccoommpplleexx aanndd rreeqquuiirreess tthhee aapppplliiccaattiioonn ooff aa rreellaattiioonnsshhiipp wwhhiicchh mmuullttiipplliieess tthhee aapppplliieedd ttoorrqquuee bbyy tthhee rraaddiiuuss ooff tthhee ssaammppllee ddiivviiddeedd bbyy tthhee aarreeaa ppoollaarr mmoommeenntt ooff iinneerrttiiaa ooff tthhee tteesstt ssttiicckk.. TThhee ppoollaarr mmoommeenntt ooff iinneerrttiiaa iiss PPii ((33..1144115577)) ttiimmeess tthhee ddiiaammeetteerr ooff tthhee tteesstt ssttiicckk rraaiisseedd ttoo tthhee ffoouurrtthh ppoowweerr ddiivviiddeedd bbyy 6644.. MMeeaassuurree tthhee ttwwiissttiinngg wwoorrkk ddoonnee bbyy tthhee aarreeaa uunnddeerr tthhee ccuurrvvee ooff sshheeaarr ssttrreessss aaggaaiinnsstt sshheeaarr ssttrraaiinn ((tthhee aarreeaa uunnddeerr tthhee UUPPLLOOAADD lliinnee ttoo ffaaiilluurree)).. TThhiiss rreepprreesseennttss tthhee eenneerrggyy uusseedd ttoo ttwwiisstt tthhee gglluuee ssttiicckk.. CCoommppuuttee tthhee aarreeaa uunnddeerr tthhee ccuurrvveess wwiitthh ttrraappeezzooiiddaall iinnccrreemmeennttss aanndd tthheenn,, ssuumm tthheessee iinnccrreemmeennttss..

Page 6.666.44

AA sspprreeaaddsshheeeett cceellll sshhoouulldd bbee uusseedd ttoo ssttoorree eeaacchh ttrraappeezzooiiddaall aarreeaa iinnccrreemmeenntt.. TThhee ttrraappeezzooiiddaall iinnccrreemmeenntt iiss ccoommppuutteedd bbyy ffoorrmmiinngg tthhee aavveerraaggee ooff 22 ssttrreesssseess aanndd mmuullttiippllyyiinngg bbyy tthhee cchhaannggee iinn ssttrraaiinn.. TThhee ttoottaall aarreeaa uunnddeerr tthhee ccuurrvvee iiss tthhee eenneerrggyy aanndd ccaann bbee ffoouunndd bbyy aaddddiinngg tthhee iinnccrreemmeennttaall aarreeaass iinn aa ccoolluummnn.. BBee ssuurree ttoo cchheecckk UUNNIITTSS ttoo bbee ssuurree tthheeyy aarree ccoonnssiisstteenntt.. TThhee ccoommppuuttaattiioonnss ttoo bbee mmaaddee ffoorr tthhee SSeeccoonndd TTeesstt pplloott ooff aapppplliieedd ttoorrqquuee aaggaaiinnsstt aannggllee ooff ttwwiisstt iinncclluuddeess tthhee rreeccoovveerraabbllee ppoorrttiioonn ooff tthhee gglluuee ssttiicckk.. AAggaaiinn,, tthhiiss rreeqquuiirreess tthhee aapppplliieedd llooaadd ttoo bbee mmuullttiipplliieedd bbyy tthhee rraaddiiuuss ooff tthhee ttoorrqquuee wwhheeeell wwhhiicchh iiss 22 iinncchheess.. IInn aaddddiittiioonn,, wwhheenn EEnngglliisshh uunniittss aarree uusseedd aa ccoonnvveerrssiioonn ffrroomm NNeewwttoonnss ttoo PPoouunnddss iiss nneeeeddeedd.. TThhee aannggllee ooff ttwwiisstt iinnccrreemmeennttss nneeeedd ttoo bbee rreeppllaacceedd bbyy ttoottaall aannggllee ssoo tthhaatt 00,, 9900,, 118800,, 227700,, 00,, 9900,, 118800,, 227700,, 00,, 9900,, 118800 bbeeccoommee 00,, 9900,, 118800,, 227700,, 336600,, 445500,, 554400,, 663300,, 772200,, 881100,, aanndd 990000 rreessppeeccttiivveellyy.. HHoowweevveerr,, tthhee mmaaxxiimmuumm aannggllee ooff ttwwiisstt iiss lliimmiitteedd ttoo tthhee ggrreeaatteesstt rreeccoovveerraabbllee ttwwiisstt aannggllee aass aasssseesssseedd bbyy eevvaalluuaattiioonn ooff tthhee FFiirrsstt TTeesstt,, pprreesseenntteedd aabboovvee.. RReeccaallll tthhiiss mmaaxxiimmuumm ppoossiittiioonn ooccccuurrss wwhheenn tthhee ttoorrqquuee ssttaarrttss ttoo ‘‘lleevveell--ooffff’’.. TThheerree aarree nnooww ttwwoo ccuurrvveess:: UUPPLLOOAADD aanndd DDWWLLOOAADD.. TThhee pplloottss ccaann rreeaaddiillyy bbee mmaaddee iinn aa sspprreeaaddsshheeeett eennvviirroonnmmeenntt.. TThhee sseeccoonndd pplloott ffoorr tthhee rreeccoovveerraabbllee ppoorrttiioonn ooff tthhee gglluuee ssttiicckk eevvaalluuaattiioonn ooff eennggiinneeeerriinngg sshheeaarr ssttrreessss aaggaaiinnsstt eennggiinneeeerriinngg sshheeaarr ssttrraaiinn iiss rreeqquuiirreedd,, tthhee aannggllee ooff ttwwiisstt ccoommppuutteedd ffoorr tthhee 11//44 iinncchh rraaddiiuuss tteesstt ssttiicckk ddiivviiddeedd bbyy tthhee ggaaggee lleennggtthh ooff 33 iinncchheess sseelleecctteedd iinn tthhiiss wwoorrkk mmuullttiipplliieedd bbyy tthhee aannggllee ooff ttwwiisstt iinn rraaddiiaannss ((oonnee rraaddiiaann eeqquuaallss 118800°°//PPii((33..1144115577)) oorr 5577..3300°°)).. TThheerree aarree ttwwoo PPii rraaddiiaannss iinn oonnee rreevvoolluuttiioonn.. TThhee sshheeaarr ssttrraaiinn iiss mmoorree ccoommpplleexx aanndd rreeqquuiirreess tthhee aapppplliiccaattiioonn ooff aa rreellaattiioonnsshhiipp wwhhiicchh mmuullttiipplliieess tthhee aapppplliieedd ttoorrqquuee bbyy tthhee rraaddiiuuss ooff tthhee ssaammppllee ddiivviiddeedd bbyy tthhee aarreeaa ppoollaarr mmoommeenntt ooff iinneerrttiiaa ooff tthhee tteesstt ssttiicckk.. TThhee ppoollaarr mmoommeenntt ooff iinneerrttiiaa iiss PPiiee ttiimmeess tthhee ddiiaammeetteerr ooff tthhee tteesstt ssttiicckk rraaiisseedd ttoo tthhee 44tthh ppoowweerr ddiivviiddeedd bbyy 6644.. IInn tthhiiss ssiittuuaattiioonn tthheerree aarree ttwwoo ccuurrvveess:: UUPPLLOOAADD aanndd DDWWLLOOAADD.. WWhheenn tthhee wwoorrkk ddoonnee,, iiss ccoonnssiiddeerreedd,, wwhhiicchh iiss tthhee aarreeaa uunnddeerr tthhee ccuurrvvee ooff sshheeaarr ssttrreessss aaggaaiinnsstt sshheeaarr ssttrraaiinn iinnccrreemmeennttss ffoorr tthhee aarreeaa uunnddeerr tthhee UUPPLLOOAADD lliinnee aarree ccoommppuutteedd sseeppaarraatteellyy ffrroomm tthhee DDWWLLOOAADD lliinnee.. TThheessee rreepprreesseenntt tthhee eenneerrggyy uusseedd ttoo ttwwiisstt aanndd uunnttwwiisstt tthhee gglluuee ssttiicckk.. CCoommppuuttee tthhee aarreeaa uunnddeerr tthhee eeaacchh ccuurrvvee wwiitthh ttrraappeezzooiiddaall iinnccrreemmeennttss.. FFiirrsstt tthhee uupp--ttwwiisstt llooaadd ccuurrvvee aanndd tthheenn tthhee ddoowwnn--ttwwiisstt llooaadd ccuurrvvee.. AA sspprreeaaddsshheeeett cceellll sshhoouulldd bbee uusseedd ttoo ssttoorree eeaacchh ttrraappeezzooiiddaall aarreeaa iinnccrreemmeenntt,, rreemmeemmbbeerr oonnee ffoorr tthhee UUPPLLOOAADD aanndd oonnee ffoorr tthhee DDWWLLOOAADD.. AA ttrraappeezzooiiddaall iinnccrreemmeenntt iiss ccoommppuutteedd bbyy ffoorrmmiinngg tthhee aavveerraaggee ooff ttwwoo ssttrreesssseess aanndd mmuullttiippllyyiinngg bbyy tthhee cchhaannggee iinn ssttrraaiinn.. TThhee ttoottaall aarreeaa uunnddeerr eeaacchh ccuurrvvee ccaann bbee ffoouunndd bbyy aaddddiinngg tthhee aapppprroopprriiaattee iinnccrreemmeennttaall aarreeaass iinn aa ccoolluummnn,, aanndd iiss tthhee eenneerrggyy rreellaatteedd ttoo eeaacchh ccuurrvvee.. TThhee ddiiffffeerreennccee bbeettwweeeenn ccoolluummnn ttoottaallss ((UUPPLLOOAADD aanndd DDWWLLOOAADD)) iiss ffoouunndd bbyy ssuubbttrraaccttiioonn aanndd tthheenn ddiivviiddeedd bbyy tthhee ttoottaall UUPPLLOOAADD wwoorrkk ttoo ddeetteerrmmiinnee tthhee ppoorrttiioonn ooff eenneerrggyy lloosstt ttoo iinntteerrnnaall ffrriiccttiioonn oorr hhyysstteerrssiiss.. BBee ssuurree ttoo cchheecckk UUNNIITTSS.. CC.. TTeesstt AAccttiivviittiieess:: II.. TThhee ffiirrsstt aaccttiivviittyy iiss ttoo bbuuiilldd aann aappppaarraattuuss ffoorr ttoorrssiioonn tteessttiinngg.. TThhiiss iiss ddeettaaiilleedd iinn tthhee AAppppeennddiixx..

IIII.. TThhee sseeccoonndd aaccttiivviittyy,, tthhee FFiirrsstt TTeesstt,, iiss tthhee eevvaalluuaattiioonn ooff aa gglluuee ssttiicckk uunnddeerr cclloocckkwwiissee ttoorrssiioonnaall llooaaddiinngg ttoo ffaaiilluurree..

11.. CCuutt oonnee ½½ iinncchh ddiiaammeetteerr 1100 iinncchh lloonngg gglluuee ssttiicckk iinnttoo ttwwoo 55 iinncchh lloonngg ssttiicckkss.. SSeelleecctt oonnee ssttiicckk ttoo tteesstt ttoo ffaaiilluurree ((TThhiiss iiss tthhee FFiirrsstt TTeesstt..)).. TToorrssiioonnaall llooaaddss aarree ttoo bbee ppllaacceedd oonn tthhee ssttiicckk bbyy ppuulllliinngg oonn tthhee llooaadd ssccaallee aattttaacchheedd ttoo tthhee ffiisshh lliinnee wwrraappppeedd aarroouunndd tthhee ttoorrssiioonn wwhheeeell aanndd ssttoorreedd iinn tthhee cciirrccuummffeerreennttiiaall ggrroooovvee oonn tthhee wwhheeeell.. LLooaadd ssccaallee ((ttoorrssiioonn)) rreeaaddiinnggss aarree ttoo bbee ttaakkeenn aatt eeaacchh 9900 ddeeggrreeeess ooff wwhheeeell rroottaattiioonn.. IItt iiss bbeesstt ttoo nnoottee tthhee wwhheeeell mmaarrkkiinnggss 00,, 9900,, 118800,, 227700 aanndd 00 aaggaaiinn aanndd pprreeppaarree tthhee ddaattaa sshheeeett aannggllee ooff ttwwiisstt ccoolluummnn aass 00,, 9900,, 118800,, 227700,, 00,, 9900,, 118800,, 227700,, 00,, 9900,, 118800,, eettcc.. TThhee nnuummbbeerr ooff ttoottaall ttuurrnnss ccaann bbee ccoouunntteedd llaatteerr.. PPllaaccee ssaaffeettyy ggllaasssseess aanndd gglloovveess oonn tthhee sspprriinngg ssccaallee ooppeerraattoorr,, aanndd pprreeppaarree tthhee rreeccoorrddeedd ffoorr wwrriittiinngg tthhee ddaattaa oonn tthhee ddaattaa sshheeeett.. TThhee aapppprrooaacchh iiss ttoo ttwwiisstt tthhee ssttiicckk aatt aa nneeaarr ccoonnssttaanntt rraattee,, rreeccoorrddiinngg tthhee llooaadd ttoo ttwwiisstt tthhee ssttiicckk eeaacchh aaddddeedd 9900 ddeeggrreeeess ooff ttwwiisstt uunnttiill tthhee ssttiicckk iiss sshheeaarreedd aappaarrtt aanndd ffaaiillss.. AAtt tthhiiss jjuunnccttuurree tthhee ttoorrssiioonn wwhheeeell wwiillll ssppiinn rraappiiddllyy uunnttiill yyoouu ggeennttllyy ssttoopp iitt bbyy cclluuttcchhiinngg tthhee wwhheeeell wwiitthh aa gglloovveedd hhaanndd.. DDoo nnoott bbeeccoommee ffrruussttrraatteedd iiff tthhee ffiisshh lliinnee iiss iinnaaddvveerrtteennttllyy wwrraappppeedd aarroouunndd tthhee ttoorrssiioonn wwhheeeell sseevveerraall ttiimmeess.. IInn pprreeppaarraattiioonn ffoorr tthhee nneexxtt tteesstt,, aa ccaarreeffuull uunnwwiinnddiinngg aanndd wwrraappppiinngg ooff tthhee ffiisshh lliinnee iinnttoo tthhee ttoorrssiioonn wwhheeeell ggrroovvee wwoorrkkss nniicceellyy,, eessppeecciiaallllyy wwiitthh ppaattiieennccee.. AAssssuummee ssiixx ((66)) rreevvoolluuttiioonnss aarree nneeeeddeedd ttoo ttwwiisstt tthhee ssttiicckk ttoo ffaaiilluurree ssoo tthhaatt 66 ttiimmeess 44 pplluuss 11 lliinneess oonn tthhee ddaattaa sshheeeett aarree nneeeeddeedd.. HHeeaaddiinngg sshhoouulldd bbee TTwwiisstt AAnnggllee iinn DDeeggrreeeess aanndd LLooaadd iinn NNeewwttoonnss ((wwhhiicchh bbeeccoommeess TToorrqquuee)).. RRuunn tthhee tteesstt..

22.. TThhee nneexxtt ttaasskk iiss ttoo ccoonnvveerrtt tthhee rreeccoorrddeedd aanngguullaarr ttwwiisstt aanngglleess ooff 00,, 9900,, 118800,, 227700,, 00,, 9900,, 118800,, 227700,, 00,, 9900,, 118800,, eettcc.. iinnttoo aa aasscceennddiinngg ccoolluummnn ooff cclloocckkwwiissee aanngglleess tthhaatt iinnccrreeaasseess wwiitthh iinnccrreemmeennttss ooff 9900 ddeeggrreeeess 00,, 9900,, 118800,, 227700,, 336600,, 445500,, 554400,, 663300,, 772200,, 881100,, 990000,, eettcc.. OOnnccee tthhiiss hhaass bbeeeenn ccoommpplleetteedd tthhee aapppprroopprriiaattee llooaadd iiss ccoonnvveerrtteedd ttoo aa ttoorrqquuee iinn iinncchh--ppoouunnddss bbyy ddiivviiddiinngg tthhee aapppplliieedd llooaadd rreeccoorrddeedd iinn NNeewwttoonnss bbyy 44..444488 NNeewwttoonnss ppeerr ppoouunndd aanndd mmuullttiippllyyiinngg bbyy tthhee ttoorrssiioonn wwhheeeell rraaddiiuuss ooff 22 iinncchheess iinn tthhee ccaassee ooff tthhee 44 iinncchh wwhheeeell.. TThhee ccoonnvveerrtteedd ddaattaa ooff aannggllee ooff ttwwiisstt

Page 6.666.45

((ddeeggrreeeess)) aanndd aapppplliieedd ttoorrqquuee ((iinn--llbb..)) sshhoouulldd tthheenn bbee cchhaarrtteedd wwiitthh aannggllee ooff ttwwiisstt aass tthhee iinnddeeppeennddeenntt vvaarriiaabbllee ((hhoorriizzoonnttaall oorr xx--aaxxiiss)).. MMaakkee aann XXYY11 oorr SSccaatttteerr PPlloott ooff tthhiiss ddaattaa.. LLaabbeell tthhiiss ggrraapphh aass TToorrssoonnaall LLooaadd aaggaaiinnsstt TTwwiisstt AAnnggllee ffoorr aa GGeenneerraall PPuurrppoossee ½½ iinncchh DDiiaammeetteerr GGlluuee SSttiicckk..

33.. CCoommppuuttee sshheeaarr ssttrraaiinn ffoorr tthhee aanngglleess ooff ttwwiisstt bbyy ddiivviiddiinngg tthhee rraaddiiuuss ooff tthhee ssttiicckk ((11//44 iinncchheess)) bbyy tthhee ggaaggee lleennggtthh ((33 iinncchheess)) aanndd mmuullttiippllyyiinngg tthhiiss vvaalluuee bbyy tthhee aannggllee ooff ttwwiisstt iinn rraaddiiaannss.. TThhee aannggllee ooff ttwwiisstt iinn rraaddiiaannss iiss ffoouunndd bbyy ddiivviiddiinngg tthhee aannggllee ooff ttwwiisstt bbyy 118800 aanndd mmuullttiippllyyiinngg bbyy PPiiee ((33..1144115577)).. FFoorr eexxaammppllee 9900 ddeeggrreeeess iiss ((9900//118800))**33..1144115577 oorr 11..5577 rraaddiiaannss.. NNeexxtt tthhee sshheeaarr ssttrreessss iiss ccoommppuutteedd ffoorr eeaacchh aapppplliieedd ttoorrqquuee eexxpprreesssseedd iinn iinncchh--ppoouunnddss.. TThhiiss ccaallccuullaattiioonn rreeqquuiirreess tthhee eexxppeerriimmeenntteerr ttoo mmuullttiippllyy tthhee ttoorrqquuee bbyy tthhee rraaddiiuuss ooff tthhee ttwwiisstteedd ssaammppllee ((¼¼ iinncchheess)) aanndd ddiivviiddee tthhee qquuaannttiittyy bbyy tthhee ppoollaarr mmoommeenntt ooff iinneerrttiiaa.. TThhee ppoollaarr mmoommeenntt ooff iinneerrttiiaa wwhhiicchh aa pprrooppeerrttyy ooff tthhee ggeeoommeettrryy ooff tthhee ttwwiisstteedd mmeemmbbeerr iiss ffoouunndd bbyy ddiivviiddiinngg PPiiee ((33..1144115577)) ttiimmeess tthhee ddiiaammeetteerr ooff tthhee ttwwiisstteedd mmeemmbbeerr rraaiisseedd ttoo 44tthh ppoowweerr aanndd ddiivviiddiinngg bbyy 6644.. TThhee uunniittss aarree ppoouunnddss ppeerr ssqquuaarree iinncchh.. TThheessee ccoommppuuttaattiioonnss aarree mmaaddee ffoorr eeaacchh aannggllee ooff ttwwiisstt aanndd aaccccoommppaannyyiinngg ttoorrqquuee ttoo oobbttaaiinn tthhee ccoorrrreessppoonnddiinngg sshheeaarr ssttrraaiinn aanndd sshheeaarr ssttrreessss.. MMaakkee aann XXYY oorr SSccaatttteerr PPlloott ooff tthhiiss ddaattaa.. TThhee vvaalluueess ooff sshheeaarr ssttrraaiinn aanndd sshheeaarr ssttrreessss aarree ttoo bbee cchhaarrtteedd bbyy pplloottttiinngg sshheeaarr ssttrreessss aaggaaiinnsstt sshheeaarr ssttrraaiinn aass tthhee iinnddeeppeennddeenntt vvaarriiaabbllee ttoo oobbttaaiinn tthhee GGeenneerraall PPuurrppoossee GGlluuee SSttiicckk SShheeaarr SSttrreessss--SSttrraaiinn PPlloott..

44.. FFrroomm tthhee sshheeaarr ssttrreessss--ssttrraaiinn ddaattaa tthhee ccoommppuuttaattiioonn ooff wwoorrkk ddoonnee ttoo ffaaiill tthhee gglluuee ssttiicckk ccaann bbee ffoouunndd.. TThhee bbeesstt aapppprrooaacchh iiss ttoo aappppllyy tthhee ttrraappeezzooiiddaall rruullee ooff iinntteeggrraattiioonn ttoo ddeetteerrmmiinnee tthhee aarreeaa uunnddeerr tthhee sshheeaarr ssttrreessss--ssttrraaiinn ccuurrvvee.. OOnn aa sspprreeaaddsshheeeett tthhiiss iiss aacchhiieevveedd iinn ttwwoo sstteeppss.. FFiirrsstt tthhee iinnccrreemmeennttaall wwoorrkk ddoonnee oovveerr aann iinnccrreemmeenntt ooff aann aannggllee ooff ttwwiisstt iiss ccoommppuutteedd,, aanndd sseeccoonndd tthhee iinnccrreemmeennttss aarree ssuummmmeedd.. TThhee uunniittss ooff wwoorrkk aarree iinncchh--ppoouunnddss ppeerr ccuubbiicc iinncchh ooff mmaatteerriiaall ((gglluuee ssttiicckk)).. MMaakkee aann XXYY oorr SSccaatttteerr PPlloott ooff tthhiiss ddaattaa..

55.. WWiitthh tthhee AApppplliieedd TToorrqquuee aanndd AAnnggllee ooff TTwwiisstt ddaattaa tthhee rraattee ooff llooaaddiinngg ccaann bbee aasssseesssseedd bbyy ddiivviiddiinngg aann iinnccrreemmeennttaall cchhaannggee iinn AApppplliieedd TToorrqquuee bbyy tthhee ccoorrrreessppoonnddiinngg iinnccrreemmeenntt ooff AAnnggllee ooff TTwwiisstt.. MMaakkee aann XXYY oorr SSccaatttteerr PPlloott ooff tthhiiss ddaattaa.. IIff tthhee vvaalluueess ccoommppuutteedd oovveerr tthhee rraannggee ooff ssttrraaiinnss aarree ccoonnssttaanntt,, tthheenn tthhee aapppplliieedd ttwwiissttiinngg ooff tthhee gglluuee ssttiicckk wwaass ddoonnee iinn aa ‘‘ccoonnssttaanntt’’ ffaasshhiioonn.. RReeccaallll tthhiiss wwaass oonnee oobbjjeeccttiivvee ffoorr tthhee eexxppeerriimmeenntt.. WWeerree yyoouu ssuucccceessssffuull?? AAllssoo cchheecckk tthhee rreeffeerreennccee lliinnee oonn tthhee ssaammppllee.. IIss iitt ssttiillll ssttrraaiigghhtt??

IIIIII.. TThhee tthhiirrdd aaccttiivviittyy,, tthhee SSeeccoonndd TTeesstt,, iiss tthhee eevvaalluuaattiioonn ooff tthhee GGeenneerraall PPuurrppoossee GGlluuee SSttiicckk ffoorr rreeccoovveerraabbllee ffeeaattuurreess.. TThhee ffiirrsstt sstteepp iiss ttoo rreevviieeww tthhee pplloott ooff TToorrssiioonnaall llooaadd aaggaaiinnsstt TTwwiisstt AAnnggllee pplloott ((sseeee PPaarrtt IIII iitteemm 22,, aabboovvee..)) aanndd ddeetteerrmmiinnee wwhheerree tthhee ccuurrvvee ‘‘lleevveellss--ooffff’’.. TThhee aapppprrooaacchh iiss ttoo llooaadd tthhee gglluuee ssttiicckk aanndd oobbsseerrvvee wwhheenn tthhee llooaadd ((ttoorrqquuee)) ssttaarrttss ttoo cchhaannggee aanndd mmoovvee ffrroomm tthhee ppeeaakk ooff tthhee rreeccoovveerraabbllee ppoorrttiioonn22 ooff tthhee gglluuee ssttiicckk wwiitthh tthhee rreeccoovveerraabbllee rreeggiioonn bbeeiinngg iinn tthhee vviicciinniittyy ooff tthhee ““eellaassttiicc lliimmiitt”” ffaammiilliiaarr ttoo tthhoossee wwhhoo tteesstt llooww ccaarrbboonn sstteeeell.. OOnnccee tthhiiss rreeggiioonn hhaass bbeeeenn ‘‘ssiizzeedd’’,, rreeppeeaatt tthhee sstteeppss 11--55 iinn IIII aabboovvee wwiitthh mmooddiiffiiccaattiioonn ttoo ccoolllleecctt DDWWLLOOAADD llooaadd aanndd aannggllee ooff ttwwiisstt.. RReemmeemmbbeerr tthhee ffiirrsstt DDWWLLOOAADD llooaadd iiss tthhee llaasstt UUPPLLOOAADD llooaadd aanndd bbootthh aarree aatt tthhee ssaammee aannggllee ooff ttwwiisstt..

11.. SSeelleecctt tthhee sseeccoonndd hhaallff ooff tthhee gglluuee ssttiicckk ffoorr tthhee rreeccoovveerraabbllee tteesstt -- UUPPLLOOAADD aanndd DDWWLLOOAADD tthhee gglluuee ssttiicckk ((TThhiiss iiss tthhee SSeeccoonndd TTeesstt..)).. TToorrssiioonnaall llooaaddss aarree ttoo bbee ppllaacceedd oonn tthhee ssttiicckk bbyy ppuulllliinngg oonn tthhee llooaadd ssccaallee aattttaacchheedd ttoo tthhee ffiisshh lliinnee wwrraappppeedd aarroouunndd tthhee ttoorrssiioonn wwhheeeell aanndd ssttoorreedd iinn tthhee cciirrccuummffeerreennttiiaall ggrroooovvee oonn tthhee wwhheeeell.. LLooaadd ssccaallee ((ttoorrssiioonn)) rreeaaddiinnggss aarree ttoo bbee ttaakkeenn aatt eeaacchh 9900 ddeeggrreeeess ooff wwhheeeell rroottaattiioonn.. IItt iiss bbeesstt ttoo nnoottee tthhee wwhheeeell mmaarrkkiinnggss 00,, 9900,, 118800,, 227700 aanndd 00 aaggaaiinn aanndd pprreeppaarree tthhee ddaattaa sshheeeett TTwwiisstt AAnnggllee ccoolluummnn aass 00,, 9900,, 118800,, 227700,, 00,, 9900,, 118800,, 227700,, 00,, 9900,, 118800,, 227700,, 00,, 9900,, 118800 wwhhiicchh iiss 1155 lliinneess.. TThhiiss ddiissccuussssiioonn aassssuummeess tthheerree aarree 33 11//22 ttuurrnnss uunnttiill tthhee llooaadd ‘‘lleevveellss--ooffff’’.. LLaabbeell tthhee nneexxtt ccoolluummnn UUPPLLOOAADD ((UUPPLLOOAADD TTOORRQQUUEE)) aanndd tthhee nneexxtt ccoolluummnn aass DDWWLLOOAADD ((DDWWLLOOAADD TTOORRQQUUEE)).. RReemmeemmbbeerr tthhaatt tthhee llaasstt UUPPLLOOAADD llooaadd iiss tthhee ffiirrsstt DDWWLLOOAADD llooaadd aanndd ffiillll iinn tthhee DDWWLLOOAADD ccoolluummnn iiss rreevveerrssee aass tthhee ssttiicckk uunnttwwiissttss.. PPllaaccee ssaaffeettyy ggllaasssseess aanndd gglloovveess oonn tthhee sspprriinngg ssccaallee ooppeerraattoorr,, aanndd pprreeppaarree tthhee rreeccoorrddeedd ffoorr wwrriittiinngg tthhee ddaattaa oonn tthhee ddaattaa sshheeeett.. TThhee aapppprrooaacchh iiss ttoo ttwwiisstt tthhee ssttiicckk aatt aa nneeaarr ccoonnssttaanntt rraattee,, rreeccoorrddiinngg tthhee llooaadd ttoo ttwwiisstt tthhee ssttiicckk eeaacchh aaddddeedd 9900 ddeeggrreeeess ooff ttwwiisstt uunnttiill tthhee ssttiicckk llooaadd ‘‘lleevveellss--ooffff’’ aatt wwhhiicchh ppooiinntt tthhee DDWWLLOOAADD bbeeggiinnss.. RRuunn tthhee tteesstt..

22.. TThhee nneexxtt ttaasskk iiss ttoo ccoonnvveerrtt tthhee rreeccoorrddeedd aanngguullaarr ttwwiisstt aanngglleess ooff 00,, 9900,, 118800,, 227700,, 00,, 9900,, 118800,, 227700,, 00,, 9900,, 118800,, eettcc.. iinnttoo aa aasscceennddiinngg ccoolluummnn ooff aanngglleess tthhaatt iinnccrreeaasseess wwiitthh iinnccrreemmeennttss ooff 9900 ddeeggrreeeess 00,, 9900,, 118800,, 227700,, 336600,, 445500,, 554400,, 663300,, 772200,, 881100,, 990000,, eettcc.. OOnnccee tthhiiss hhaass bbeeeenn ccoommpplleetteedd tthhee aapppprroopprriiaattee llooaadd ((UUPPLLOOAADD AANNDD DDWWLLOOAADD)) iiss ccoonnvveerrtteedd ttoo aa ttoorrqquuee ((UUPPLLOOAADD TTOORRQQUUEE aanndd DDWWLLOOAADD TTOORRQQUUEE)) iinn iinncchh--ppoouunnddss bbyy ddiivviiddiinngg tthhee aapppplliieedd llooaadd rreeccoorrddeedd iinn NNeewwttoonnss bbyy 44..444488 NNeewwttoonnss ppeerr ppoouunndd aanndd mmuullttiippllyyiinngg bbyy tthhee ttoorrssiioonn wwhheeeell rraaddiiuuss ooff 22 iinncchheess

1 Be sure to make a plot of two variables and NOT a line chart as is the usual default setting on a spreadsheet.

2 This is a judgment call and uses your Engineering skills.

Page 6.666.46

iinn tthhee ccaassee ooff tthhee 44 iinncchh wwhheeeell.. TThhee ccoonnvveerrtteedd ddaattaa ooff aannggllee ooff ttwwiisstt ((ddeeggrreeeess)) aanndd aapppplliieedd ttoorrqquueess ((iinn--llbb..)) sshhoouulldd tthheenn bbee cchhaarrtteedd wwiitthh aannggllee ooff ttwwiisstt aass tthhee iinnddeeppeennddeenntt vvaarriiaabbllee ((hhoorriizzoonnttaall oorr xx--aaxxiiss)).. MMaakkee aann XXYY oorr SSccaatttteerr PPlloott ooff tthhiiss ddaattaa.. LLaabbeell tthhiiss ggrraapphh aass RReeccoovveerraabbllee TToorrssoonnaall LLooaadd aaggaaiinnsstt TTwwiisstt AAnnggllee ffoorr aa AAllll PPuurrppoossee ½½ iinncchh DDiiaammeetteerr GGlluuee SSttiicckk.. TThheerree sshhoouulldd bbee ttwwoo ccuurrvveess:: UUPPLLOOAADD TTOORRQQUUEE aanndd DDWWLLOOAADD TTOORRQQUUEE..

33.. AAss iinn PPaarrtt IIII.. ccoommppuuttee tthhee sshheeaarr ssttrraaiinn ffoorr tthhee aanngglleess ooff ttwwiisstt bbyy ddiivviiddiinngg tthhee rraaddiiuuss ooff tthhee ssttiicckk ((11//44 iinncchheess)) bbyy tthhee ggaaggee lleennggtthh ((33 iinncchheess)) aanndd mmuullttiippllyyiinngg tthhiiss vvaalluuee bbyy tthhee aannggllee ooff ttwwiisstt iinn rraaddiiaannss.. TThhee aannggllee ooff ttwwiisstt iinn rraaddiiaannss iiss ffoouunndd bbyy ddiivviiddiinngg tthhee aannggllee ooff ttwwiisstt bbyy 118800 aanndd mmuullttiippllyyiinngg bbyy PPiiee ((33..1144115577)).. FFoorr eexxaammppllee 9900 ddeeggrreeeess iiss ((9900//118800))**33..1144115577 oorr 11..5577 rraaddiiaannss.. NNeexxtt tthhee sshheeaarr ssttrreessss iiss ccoommppuutteedd ffoorr eeaacchh aapppplliieedd ttoorrqquuee eexxpprreesssseedd iinn iinncchh--ppoouunnddss.. TThhiiss ccaallccuullaattiioonn rreeqquuiirreess tthhee eexxppeerriimmeenntteerr ttoo mmuullttiippllyy tthhee ttoorrqquuee bbyy tthhee rraaddiiuuss ooff tthhee ttwwiisstteedd ssaammppllee ((¼¼ iinncchheess)) aanndd ddiivviiddee tthhee qquuaannttiittyy bbyy tthhee ppoollaarr mmoommeenntt ooff iinneerrttiiaa.. TThhee ppoollaarr mmoommeenntt ooff iinneerrttiiaa wwhhiicchh aa pprrooppeerrttyy ooff tthhee ggeeoommeettrryy ooff tthhee ttwwiisstteedd mmeemmbbeerr iiss ffoouunndd bbyy ddiivviiddiinngg PPiiee ((33..1144115577)) ttiimmeess tthhee ddiiaammeetteerr ooff tthhee ttwwiisstteedd mmeemmbbeerr rraaiisseedd ttoo 44tthh ppoowweerr aanndd ddiivviiddiinngg bbyy 6644.. TThhee uunniittss aarree ppoouunnddss ppeerr ssqquuaarree iinncchh.. TThheessee ccoommppuuttaattiioonnss aarree mmaaddee ffoorr eeaacchh aannggllee ooff ttwwiisstt aanndd aaccccoommppaannyyiinngg ttoorrqquuee ttoo oobbttaaiinn tthhee ccoorrrreessppoonnddiinngg sshheeaarr ssttrraaiinn aanndd sshheeaarr ssttrreessss.. MMaakkee aann XXYY oorr SSccaatttteerr PPlloott ooff tthhiiss ddaattaa.. TThhee vvaalluueess ooff sshheeaarr ssttrraaiinn aanndd sshheeaarr ssttrreessss aarree ttoo bbee cchhaarrtteedd bbyy pplloottttiinngg sshheeaarr ssttrreessss aaggaaiinnsstt sshheeaarr ssttrraaiinn aass tthhee iinnddeeppeennddeenntt vvaarriiaabbllee ttoo oobbttaaiinn tthhee GGeenneerraall PPuurrppoossee GGlluuee SSttiicckk RReeccoovveerraabbllee SShheeaarr SSttrreessss--SSttrraaiinn PPlloott.. NNoottee tthhee ssiimmiillaarriittiieess bbeettwweeeenn tthhiiss aanndd tthhee PPlloott iinn 22,, iimmmmeeddiiaatteellyy aabboovvee.. CChheecckk tthhee rreeffeerreennccee lliinnee oonn tthhee ssaammppllee.. IIss iitt ssttiillll ssttrraaiigghhtt??

44.. FFrroomm tthhee sshheeaarr ssttrreessss--ssttrraaiinn ddaattaa tthhee ccoommppuuttaattiioonn ooff wwoorrkk ddoonnee ttoo ffaaiill tthhee gglluuee ssttiicckk ccaann bbee ffoouunndd.. TThhee bbeesstt aapppprrooaacchh iiss ttoo aappppllyy tthhee ttrraappeezzooddiiaall rruullee ooff iinntteeggrraattiioonn ttoo ddeetteerrmmiinnee tthhee aarreeaa uunnddeerr tthhee sshheeaarr ssttrreessss--ssttrraaiinn ccuurrvvee.. OOnn aa sspprreeaaddsshheeeett tthhiiss iiss aacchhiieevveedd iinn ttwwoo sstteeppss.. FFiirrsstt tthhee iinnccrreemmeennttaall wwoorrkk ddoonnee oovveerr aann aannggllee ooff ttwwiisstt iiss ccoommppuutteedd,, aanndd sseeccoonndd tthhee iinnccrreemmeennttss aarree ssuummmmeedd.. TThhee uunniittss ooff wwoorrkk aarree iinncchh--ppoouunnddss ppeerr ccuubbiicc iinncchh ooff mmaatteerriiaall ((gglluuee ssttiicckk)).. TThhiiss pprroocceessss iiss ttoo bbee ddoonnee ffoorr bbootthh tthhee UUPPLLOOAADD TTOORRQQUUEE aanndd tthhee DDWWLLOOAADD TTOORRQQUUEE.. MMaakkee aann XXYY oorr SSccaatttteerr PPlloott ooff tthhiiss ddaattaa tthhaatt sshhoowwss ttwwoo ccuurrvveess.. TThhee ddiiffffeerreennccee bbeettwweeeenn ccoolluummnn ttoottaallss ((ttoottaall UUPPLLOOAADD TTOORRQQUUEE wwoorrkk aanndd ttoottaall DDWWLLOOAADD TTOORRQQUUEE wwoorrkk)) iiss ffoouunndd bbyy ssuubbttrraaccttiioonn aanndd tthheenn ddiivviiddeedd bbyy tthhee ttoottaall LLOOAADDIINNGG TTOORRQQUUEE wwoorrkk ttoo ggiivvee tthhee ppoorrttiioonn ooff eenneerrggyy lloosstt ttoo iinntteerrnnaall ffrriiccttiioonn oorr hhyysstteerrssiiss.. BBee ssuurree ttoo cchheecckk UUNNIITTSS ffoorr ccoonnssiisstteennccyy..

55.. WWiitthh tthhee SShheeaarr ssttrreessss--ssttrraaiinn ddaattaa tthhee rraattee ooff UUPPLLOOAADD TTOORRQQUUEE aanndd rraattee ooff DDWWLLOOAADD TTOORRQQUUEE ccaann bbee aasssseesssseedd bbyy ddiivviiddiinngg aann iinnccrreemmeennttaall cchhaannggee iinn ttoorrssiioonnaall ssttrreessss bbyy tthhee ccoorrrreessppoonnddiinngg iinnccrreemmeenntt ooff sshheeaarr ssttrraaiinn.. MMaakkee aann XXYY oorr SSccaatttteerr PPlloott ooff tthhiiss ddaattaa.. TThheerree sshhoouulldd bbee ttwwoo ccuurrvveess.. IIff tthhee vvaalluueess ccoommppuutteedd oovveerr tthhee rraannggee ooff ssttrraaiinnss aarree ccoonnssttaanntt oorr ppeerrhhaappss oosscciillllaattiinngg aabboouutt aa ccoonnssttaanntt vvaalluuee,, tthheenn tthhee aapppplliieedd ttwwiissttiinngg ooff tthhee gglluuee ssttiicckk wwaass ddoonnee iinn aa ‘‘ccoonnssttaanntt’’ ffaasshhiioonn.. RReeccaallll tthhiiss wwaass oonnee oobbjjeeccttiivvee ffoorr tthhee eexxppeerriimmeenntt.. WWeerree yyoouu ssuucccceessssffuull??

CCoommmmeennttss:: TToo aaiidd tthhee iinnssttrruuccttoorr wwiitthh tthhee eexxeeccuuttiioonn ooff tthhiiss eexxppeerriimmeenntt ttwwoo tteesstt mmaaddee oonn tthhee hhaallvveess ooff aa 1100 iinncchh lloonngg GGeenneerraall PPuurrppoossee GGlluuee SSttiicckk aarree pprreesseenntteedd..

11.. FFiigguurree 11 pprreesseennttss tthhee ddaattaa ffoorr tthhee FFiirrsstt TTeesstt -- aa tteesstt ttoo ffaaiilluurree.. IInn FFiigguurreess 22,, 33,, aanndd 44 aarree sshhoowwnn tthhee LLOOAADDIINNGG,, tthhee ttoorrssiioonnaall wwoorrkk aanndd rraattee ooff llooaaddiinngg ccuurrvveess,, rreessppeeccttiivveellyy.. SShhoowwnn iinn FFiigguurree 11 aarree tthhee ffoolllloowwiinngg:: ccoolluummnnss 11 aanndd 22 tthhee ttwwiisstt aannggllee iinn ddeeggrreeeess rreeccoorrddeedd aass 00,, 9900,, 118800,, 227700,, 00,, 9900,, 118800,, eettcc.. aanndd tthhee ttoorrssiioonnaall llooaaddiinngg llooaadd iinn NNeewwttoonnss aapppplliieedd aatt aa rraaddiiuuss ooff 22 iinncchheess;; iinn ccoolluummnnss 33 aanndd 44 tthhee ttoottaall aannggllee ooff ttwwiisstt iinn rraaddiiaannss aanndd ttoorrqquuee iinn iinncchh--ppoouunnddss;; iinn ccoolluummnnss 55 aanndd 66 tthhee sshheeaarr ssttaaiinn rraaddiiaannss ppeerr rraaddiiaann aanndd sshheeaarr ssttrreessss iinn ppoouunnddss ppeerr ssqquuaarree iinncchh;; iinn ccoolluummnnss 77 aanndd 88 iinnccrreemmeennttaall wwoorrkk aanndd aaccccuummuullaatteedd wwoorrkk wwiitthh uunniittss ooff iinn--llbb..//iinn^̂33;; iinn ccoolluummnn 99 tthhee rraattee ooff llooaaddiinngg ccoommppuuttaattiioonn wwiitthh uunniittss ooff iinn--llbb.. //rraaddiiaann..

Page 6.666.47

SShheeaarr TToorrqquuee SShheeaarr UUpp SShheeaarr IInnccrrmmttll TToottaall UUppRRaattee AAnnggllee FFoorrccee DDeeffoorrmmaattnn AApppplliieedd SSttrraaiinn SSttrreessss WWoorrkk UUpp WWoorrkk UUpp

DDeeggrreeeess NNeewwttoonnss RRaaddiiaannss -- iinn..llbbss.. RRaadd..//rraadd.. llbbss..//iinn..^̂22 llbb iinn//IInn^̂33 llbb iinn//IInn^̂33 iinn--llbb//rraadd 00 00 00..000000 00..000000 00..000000 00..000000 00..000000 00..000000 00..000000

9900 33..55 11..557711 11..557744 00..113311 112288..224400 88..339933 88..339933 11..000022 118800 77 33..114422 33..114477 00..226622 225566..448800 2255..118800 3333..557733 11..000022 227700 99 44..771122 44..004477 00..339933 332299..776600 3388..336699 7711..994422 00..557722 336600 1100..55 66..228833 44..772211 00..552244 338844..772200 4466..776633 111188..770055 00..442299 445500 1122..55 77..885544 55..662211 00..665544 445588..000000 5555..115566 117733..886611 00..557722 554400 1133..55 99..442255 66..007700 00..778855 449944..664400 6622..335500 223366..221111 00..228866 663300 1144 1100..999966 66..229955 00..991166 551122..996600 6655..994477 330022..115588 00..114433 772200 1144..7755 1122..556666 66..663322 11..004477 554400..444400 6688..994455 337711..110033 00..221155 881100 1155..55 1144..113377 66..996699 11..117788 556677..992200 7722..554422 444433..664455 00..221155 990000 1166 1155..770088 77..119944 11..330099 558866..224400 7755..554400 551199..118855 00..114433 999900 1166 1177..227799 77..119944 11..444400 558866..224400 7766..773399 559955..992233 00..000000

11008800 1166..55 1188..885500 77..441199 11..557711 660044..556600 7777..993388 667733..886611 00..114433 11117700 1166..55 2200..442200 77..441199 11..770022 660044..556600 7799..113377 775522..999988 00..000000 11226600 1155..55 2211..999911 66..996699 11..883333 556677..992200 7766..773399 882299..773366 --00..228866 11335500 1144..7755 2233..556622 66..663322 11..996633 554400..444400 7722..554422 990022..227788 --00..221155 11444400 1144 2255..113333 66..229955 22..009944 551122..996600 6688..994455 997711..222233 --00..221155 11553300 1155..2255 2266..770044 66..885577 22..222255 555588..776600 7700..114444 11004411..336677 00..335588 11662200 1155..55 2288..227744 66..996699 22..335566 556677..992200 7733..774411 11111155..110088 00..007722 11771100 1166 2299..884455 77..119944 22..448877 558866..224400 7755..554400 11119900..664477 00..114433 11880000 1166 3311..441166 77..119944 22..661188 558866..224400 7766..773399 11226677..338866 00..000000 11889900 1177 3322..998877 77..664444 22..774499 662222..888800 7799..113377 11334466..552233 00..228866 11998800 1166..55 3344..555588 77..441199 22..888800 660044..556600 8800..333366 11442266..885599 --00..114433 22007700 1166 3366..112288 77..119944 33..001111 558866..224400 7777..993388 11550044..779966 --00..114433 22116600 1166 3377..669999 77..119944 33..114422 558866..224400 7766..773399 11558811..553355 00..000000 22225500 1177 3399..227700 77..664444 33..227722 662222..888800 7799..113377 11666600..667711 00..228866 22334400 1166 4400..884411 77..119944 33..440033 558866..224400 7799..113377 11773399..880088 --00..228866 22443300 1155..55 4422..441122 66..996699 33..553344 556677..992200 7755..554400 11881155..334488 --00..114433

FFiigguurree 11.. FFiirrsstt TTeesstt 00..55 iinn.. DDiiaa.. GGlluuee SSttiicckk TTeesstt ttoo FFaaiilluurree DDaattaa

Page 6.666.48

FFiigguurree 22.. FFiirrsstt TTeesstt 00..55 iinn DDiiaa.. AAllll PPuurrppoossee GGlluuee SSttiicckk

FFiigguurree 33.. FFiirrsstt TTeesstt WWoorrkk PPlloott

FFiigguurree 44.. FFiirrsstt TTeesstt RRaattee ooff LLooaaddiinngg PPlloott

0.5in. Dia. All Purpose Glue Stick Torque against Angular Deformation

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

0 10 20 30 40 50

Angular Deformatiion - radians

To

rqu

e -

in. l

bs.

0.5 in. Dia. All Purpose Glue Stick Rate of Loading Plot

-0.4

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

0 2 4

Angular Displacement - radians

Ap

plie

d T

orq

ue

- In

. Lb

s.

0.5 in. Dia. All Purpose Glue Stick Torsional Work Against

Shear Strain

0.00

200.00

400.00

600.00

800.00

1000.00

1200.00

1400.00

1600.00

1800.00

2000.00

0 2 4

Shear Strain - rad/rad

To

tal W

ork

-lb

-in

per

in^3

Page 6.666.49

TToo pprreesseenntt tthhee ccoommppuuttaattiioonnss iinn ffiigguurree 11,, aa hhaanndd ccaallccuullaattiioonn ffoorr tthhee 227700°° aanngguullaarr ddiissppllaacceemmeenntt iiss ggiivveenn::

•• ccoolluummnnss 11 aanndd 22 ccoonnttaaiinn ccoolllleecctteedd rraaww ddaattaa •• ccoolluummnn 33 227700 ddeeggrreeeess iiss ((227700//118800))**33..1144115577 oorr 44..771122 rraaddiiaannss,, •• ccoolluummnn 44 tthhee llooaadd ooff 99..00 NNeewwttoonn iiss ccoonnvveerrtteedd ttoo aa ttoorrqquuee iinn iinncchh--ppoouunnddss bbyy ddiivviiddiinngg tthhee aapppplliieedd 99..00

NNeewwttoonn llooaadd rreeccoorrddeedd iinn NNeewwttoonn bbyy 44..444488 NNeewwttoonn ppeerr ppoouunndd aanndd mmuullttiippllyyiinngg bbyy tthhee ttoorrssiioonn wwhheeeell rraaddiiuuss ooff 22 iinncchheess iinn tthhee ccaassee ooff tthhee 44 iinncchh wwhheeeell ffoorr aa ttoorrqquuee ooff 44..004477 iinn--llbb.. ,,

•• ccoolluummnn 55 tthhee ccoonnvveerrtteedd ddaattaa ooff aannggllee ooff ttwwiisstt iinn rraaddiiaannss bbeeccoommeess 00..339933 rraaddiiaannss ppeerr rraaddiiaann vviiaa 33 iinn.. ggaaggee lleennggtthh ddiivviiddeedd bbyy tthhee rraaddiiuuss ooff tthhee gglluuee ssttiicckk ((11//44 iinn..)) aanndd mmuullttiipplliieedd bbyy 44..771122 rraaddiiaannss;;

•• ccoolluummnn 66 tthhee sshheeaarr ssttrreessss iiss ccoommppuutteedd ffrroomm aapppplliieedd ttoorrqquuee eexxpprreesssseedd iinn iinncchh--ppoouunnddss bbyy mmuullttiippllyyiinngg tthhee ttoorrqquuee 44..004477 iinn--llbb.. bbyy tthhee rraaddiiuuss ooff tthhee ttwwiisstteedd ssaammppllee (( ¼¼ iinncchheess)) aanndd ddiivviiddiinngg tthhiiss qquuaannttiittyy bbyy tthhee ppoollaarr mmoommeenntt ooff iinneerrttiiaa wwhhiicchh iiss PPii ((33..1144115577)) ttiimmeess tthhee ddiiaammeetteerr ooff tthhee ttwwiisstteedd mmeemmbbeerr ((11//22 iinn..)) rraaiisseedd ttoo ffoouurrtthh ppoowweerr aanndd ddiivviiddeedd bbyy 6644.. TThhee uunniittss aarree ppoouunnddss ppeerr ssqquuaarree iinncchh,,

•• ccoolluummnn 77 iinnccrreemmeennttaall wwoorrkk iiss ((332299..776600++225566..448800 llbb..// ssqq..iinn..))//22**((00..339933--00..226622 rraaddiiaannss//rraaddiiaann)) == 3388..336699 iinn--llbb//iinn^̂33,,

•• ccoolluummnn 88 aaccccuummuullaatteedd wwoorrkk iiss pprriioorr eennttrryy iinn ccoolluummnn 88 ((2255..118800 iinn--llbb//iinn^̂33 )) pplluuss 3388..336699 iinn--llbb//iinn^̂33 oorr 7711..994422 iinn--llbb//iinn^̂33,,

•• ccoolluummnn 99 rraattee ooff llooaaddiinngg vviiaa ccoolluummnnss 44 aanndd 33 oorr ((44..004477--33..114477 iinn--llbb))//((44..771122--33..114422 rraadd//rraadd)) == 00..557722 iinn--llbb//rraadd//rraadd..

TThhee ttoottaall wwoorrkk ddoonnee iiss 11881155..334488 iinn--llbb//iinn^̂33 wwhhiillee tthhee rraattee ooff llooaaddiinngg aafftteerr 445500 ddeeggrreeeess aappppeeaarrss ttoo oosscciillllaattee bbeettwweeeenn 00..557722 aanndd --00..557722 iinn--llbb//rraadd//rraadd..

22.. FFoorr tthhee rreeccoovveerraabbllee ffeeaattuurreess ooff tthhee gglluuee ssttiicckk tthhee ‘‘lleevveell--ooffff’’ ttoorrqquuee iinn tthhee vviicciinniittyy tthhee ffiirrsstt vvaalluueess ooff 77..0000 iinn--llbb.. aass sshhoowwnn iinn FFiigguurree 22 wwaass ffoouunndd.. FFiigguurree 55 pprreesseennttss tthhee ddaattaa ffoorr tthhee SSeeccoonndd TTeesstt -- UUPPLLOOAADD aanndd DDWWLLOOAADD ooff tthhee gglluuee ssttiicckk.. IInn FFiigguurreess 66,, 77,, 88,, aanndd 99 tthhee aarree sshhoowwnn UUPPLLOOAADD aanndd DDWWLLOOAADD ttoorrqquueess,, tthhee UUPPLLOOAADD aanndd DDWWLLOOAADD ssttrreesssseess,, tthhee UUPPLLOOAADD aanndd DDWWLLOOAADD ttoottaall ttoorrssiioonnaall wwoorrkkss aanndd rraattee ooff llooaaddiinngg ccuurrvveess,, rreessppeeccttiivveellyy.. FFiigguurree 55 iinn ccoolluummnnss 11,, 22,, aanndd 33 pprreesseennttss tthhee ttwwiisstt aannggllee rreeccoorrddeedd aass 00,, 9900,, 118800,, 227700,,336600,, 445500,, eettcc.. aanndd tthhee ttoorrssiioonnaall llooaaddiinngg aanndd ttoorrssiioonnaall uunnllooaaddiinngg llooaaddss wwhhiillee iinn ccoolluummnnss 44,, 55,, aanndd 66 aarree ffoouunndd tthhee ttoottaall aannggllee ooff ttwwiisstt iinn rraaddiiaannss pplluuss llooaaddiinngg aanndd uunnllooaaddiinngg ttoorrqquueess.. CCoolluummnnss 77,, 88,, aanndd 99 pprreesseenntt tthhee sshheeaarr ssttaaiinn aanndd sshheeaarr ssttrreesssseess wwhhiillee ccoolluummnnss 1100,, 1111,, 1122 aanndd 1133 sshhooww iinnccrreemmeennttaall wwoorrkk aanndd aaccccuummuullaatteedd wwoorrkk.. CCoolluummnnss 1144 aanndd 1155 pprreesseenntt tthhee rraattee ooff llooaaddiinngg ccoommppuuttaattiioonn..

Page 6.666.50

Proceedings of the 2001 American Society for Engineering Education Annual Conference & Exposition Copyright 2001, American Society for Engineering Education

TTwwiisstt AAnngg.. UUppFFoorrccee DDwwFFoorrccee TTwwiisstt UUppTToorrqquuee DDwwTToorrqquuee DDeeggrreeeess NNeewwttoonnss NNeewwttoonnss rraaddiiaannss iinn..--llbbss.. iinn..--llbbss..

00 00..0000 00..0000 00..000000 00..000000 00..000000 9900 55..5500 00..0000 11..557711 22..447733 00..000000 118800 88..0000 11..0000 33..114422 33..559977 00..445500 227700 1100..2255 22..0000 44..771122 44..660099 00..889999 336600 1122..5500 44..0000 66..228833 55..662211 11..779999 445500 1144..0000 55..7755 77..885544 66..229955 22..558855 554400 1144..5500 66..7755 99..442255 66..552200 33..003355 663300 1144..5500 88..0000 1100..999966 66..552200 33..559977 772200 1155..0000 99..0000 1122..556666 66..774455 44..004477 881100 1155..5500 1100..5500 1144..113377 66..996699 44..772211 990000 1155..0000 1155..0000 1155..770088 66..774455 66..774455

SShhrr SSttrraaiinn UUppSShhrrSSttrrss DDwwSShhrrSSttrrss IInnccrrWWkkUUpp TToottWWkkUUpp IInnccrrWWkkDDww TToottWWkkDDww UUppRRaattee DDwwRRaattee RRaadd..//rraadd.. llbbss..//iinn..^̂22 llbb..//iinn..^̂22 llbb iinn//IInn^̂33 llbb iinn//IInn^̂33 llbb--iinn//iinn..^̂33 llbb--iinn//iinn..^̂33 iinn--llbb//rraadd iinn--llbb//rraadd

00..000000 00..000000 00..000000 00..000000 00..000000 00..000000 00..000000 00..000000 00..000000 00..113311 220011..552200 00..000000 1133..118899 1133..118899 00..000000 00..000000 11553399..449999 00..000000 00..226622 229933..112200 3366..664400 3322..337744 4455..556644 22..339988 22..339988 669999..777722 227799..990099 00..339933 337755..556600 7733..228800 4433..776655 8899..332299 77..119944 99..559922 662299..779955 227799..990099 00..552244 445588..000000 114466..556600 5544..555566 114433..888855 1144..338888 2233..998811 662299..779955 555599..881188 00..665544 551122..996600 221100..668800 6633..554499 220077..443344 2233..338811 4477..336622 441199..886633 448899..884411 00..778855 553311..228800 224477..332200 6688..334455 227755..777799 2299..997766 7777..333388 113399..995544 227799..990099 00..991166 553311..228800 229933..112200 6699..554444 334455..332244 3355..337722 111122..771100 00..000000 334499..888866 11..004477 554499..660000 332299..776600 7700..774433 441166..006677 4400..776677 115533..447777 113399..995544 227799..990099 11..117788 556677..992200 338844..772200 7733..114411 448899..220099 4466..776633 220000..224400 113399..995544 441199..886633 11..330099 554499..660000 554499..660000 7733..114411 556622..335500 6611..115511 226611..339911 --113399..995544 11225599..559900

PPeerrcceenntt HHyysstteerrssiiss 5533..551188

FFiigguurree 66.. SSeeccoonndd TTeesstt LLooaadd PPlloott

FFiigguurree 77.. SSeeccoonndd TTeesstt SShheeaarr SSttrreessss--SSttrraaiinn PPlloott

0.5 inch Dia. Glue Stick Torque versus Angular Deformation Plot

0

2

4

6

8

0 10 20

Angular Displacement - Radians

To

rqu

e In

. - L

bs.

UpTorque in.-lbs.

DwTorque in.-lbs.

0.5 in. Dia. Glue Stick Torsional Stress versus Shear Strain Plot

0

100

200

300

400

500

600

0 0.5 1 1.5

Shear Strain

Sh

ear

Str

ess

- lb

s./in

.^2

Up Shear Stresslbs./in.^2

DwShear Stresslb./in.^2

FFiigguurree 55.. SSeeccoonndd TTeesstt 00..55 iinn.. AAllll PPuurrppoossee GGlluuee SSttiicckk RReeccoovveerraabbllee PPoorrttiioonn DDaattaa

Page 6.666.51

Proceedings of the 2001 American Society for Engineering Education Annual Conference & Exposition Copyright 2001, American Society for Engineering Education

FFiigguurree 88.. SSeeccoonndd TTeesstt WWoorrkk PPlloott Figure 9. Second Test Loading Rate Pla

TToo pprreesseenntt tthhee ccoommppuuttaattiioonnss iinn ffiigguurree 55,, aa hhaanndd ccaallccuullaattiioonn ffoorr tthhee 227700°° aanngguullaarr ddiissppllaacceemmeenntt ((00..339933 SShhrr SSttrraaiinn)) iiss ggiivveenn::

•• uuppppeerr ccoolluummnnss 11 --33 aarree FFiigguurree 55 ccoolluummnnss 11--33 aanndd ccoonnttaaiinn ccoolllleecctteedd rraaww ddaattaa •• ccoolluummnn 44 227700 ddeeggrreeeess iiss ((227700//118800))**33..1144115577 oorr 44..771122 rraaddiiaannss,, •• ccoolluummnn 55 tthhee llooaadd ooff 1100..2255 NNeewwttoonnss iiss ccoonnvveerrtteedd ttoo aa ttoorrqquuee iinn iinncchh--ppoouunnddss bbyy ddiivviiddiinngg tthhee aapppplliieedd

1100..2255 NNeewwttoonn llooaadd rreeccoorrddeedd iinn NNeewwttoonnss bbyy 44..444488 NNeewwttoonnss ppeerr ppoouunndd aanndd mmuullttiippllyyiinngg bbyy tthhee ttoorrssiioonn wwhheeeell rraaddiiuuss ooff 22 iinncchheess iinn tthhee ccaassee ooff tthhee 44 iinncchh wwhheeeell ffoorr aa ttoorrqquuee ooff 44..660099 iinn--llbbss.. ,,

•• ccoolluummnn 55 tthhee llooaadd ooff 22..0000 NNeewwttoonnss iiss ccoonnvveerrtteedd ttoo aa ttoorrqquuee iinn iinncchh--ppoouunnddss bbyy ddiivviiddiinngg tthhee aapppplliieedd 22..0000 NNeewwttoonn llooaadd rreeccoorrddeedd iinn NNeewwttoonnss bbyy 44..444488 NNeewwttoonnss ppeerr ppoouunndd aanndd mmuullttiippllyyiinngg bbyy tthhee ttoorrssiioonn wwhheeeell rraaddiiuuss ooff 22 iinncchheess iinn tthhee ccaassee ooff tthhee 44 iinncchh wwhheeeell ffoorr aa ttoorrqquuee ooff 00..889999 iinn--llbbss.. ,,

•• lloowweerr ccoolluummnn 11 iiss ccoolluummnn 77 wwhheerree tthhee ccoonnvveerrtteedd ddaattaa ooff aannggllee ooff ttwwiisstt iinn rraaddiiaannss bbeeccoommeess 00..339933 rraaddiiaannss ppeerr rraaddiiaann vviiaa 33 iinn.. ggaaggee lleennggtthh ddiivviiddeedd bbyy tthhee rraaddiiuuss ooff tthhee gglluuee ssttiicckk ((11//44 iinn..)) aanndd mmuullttiipplliieedd bbyy 44..771122 rraaddiiaannss;;

•• ccoolluummnn 88 tthhee UUpp sshheeaarr ssttrreessss iiss ccoommppuutteedd ffrroomm aapppplliieedd ttoorrqquuee eexxpprreesssseedd iinn iinncchh--ppoouunnddss bbyy mmuullttiippllyyiinngg tthhee ttoorrqquuee 44..660099 iinn--llbb.. bbyy tthhee rraaddiiuuss ooff tthhee ttwwiisstteedd ssaammppllee (( ¼¼ iinncchheess)) aanndd ddiivviiddiinngg tthhiiss qquuaannttiittyy bbyy tthhee ppoollaarr mmoommeenntt ooff iinneerrttiiaa wwhhiicchh iiss PPii ((33..1144115577)) ttiimmeess tthhee ddiiaammeetteerr ooff tthhee ttwwiisstteedd mmeemmbbeerr ((11//22 iinn..)) rraaiisseedd ttoo 44tthh ppoowweerr aanndd ddiivviiddeedd bbyy 6644.. TThhee uunniittss aarree ppoouunnddss ppeerr ssqquuaarree iinncchh,,

•• ccoolluummnn 99 tthhee DDoowwnn sshheeaarr ssttrreessss iiss 7733..228800 llbb//iinn..^̂22 ffoolllloowwiinngg tthhee pprroocceedduurree jjuusstt pprreesseenntteedd,, aabboovvee,, •• ccoolluummnn 1100 iinnccrreemmeennttaall UUppwwoorrkk iiss ((337755..556600++229933..112200 llbb..// ssqq.. iinn..))//22**((00..339933--00..226622 rraaddiiaannss//rraaddiiaann)) == 4433..776655

iinn--llbb//iinn^̂33,, •• ccoolluummnn 1111 sshhoowwss TToottaalleedd UUppwwoorrkk ooff 4455..556644 ++4433..776655 iinn--llnn//iinn..^̂33,, wwhhiillee •• ccoolluummnnss 1122 aanndd 1133 rreeppeeaatt ccoolluummnnss 1100 aanndd 1111 ffoorr DDoowwnn wwoorrkk wwiitthh 77..119966 aanndd 99..559922 iinn..llbbss//iinn..^̂33,,

rreessppeeccttiivveellyy,, •• ccoolluummnn 1144 iiss UUpp rraattee ooff llooaaddiinngg vviiaa ccoolluummnnss 88 aanndd 77 (( tthhee sshheeaarr ssttrreessss--ssttrraaiinn ddaattaa iinn ppllaaccee ooff tthhee ttoorrqquuee--

aannggllee ooff ddeeffoorrmmaattiioonn ddaattaa aarree uusseedd)) iiss ((337755..556600--229933..112200))//((00..339933--00..226622)) ffoorr 662299..779955 llbbss//iinn^̂22//rraadd//rraadd,, aanndd •• ccoolluummnn 1155 iiss tthhee DDoowwnn rraattee ooff llooaaddiinngg ffoorr tthhiiss ccaassee..

TThhee ttoottaall UUpp wwoorrkk ddoonnee iiss 556622..335500 iinn--llbb//iinn^̂33 wwhhiillee tthhee ttoottaall DDoowwnn wwoorrkk rreeccoovveerreedd iiss 226611..339911 iinn--llbb//iinn^̂33,, wwhhiicchh wwhheenn ssuubbttrraacctteedd aanndd ddiivviiddeedd bbyy tthhee ttoottaall UUpp wwoorrkk aanndd mmuullttiipplliieedd bbyy 110000 ggiivveess 5533..551188 ppeerrcceenntt hhyysstteerrssiiss oorr eenneerrggyy lloosstt wwhhiillee iinn tthhee rreeccoovveerryy ooff tthhee ttwwiisstteedd AAllll PPuurrppoossee GGlluuee SSttiicckk.. TThhee rraattee ooff UUpp llooaaddiinngg aafftteerr 336600 ddeeggrreeeess aappppeeaarrss bbeellooww 440000 llbb//iinn^̂22 wwhhiillee tthhee rraattee ooff llooaaddiinngg vvaarriieess iinn tthhee ddoowwnn llooaadd rreevviieeww,, bbuutt ggeenneerraallllyy aappppeeaarrss ttoo rreedduuccee wwhheenn tthhee ttoorrqquuee iiss rreemmoovveedd.. AAppppeennddiixx -- TToorrssiioonn TTeesstteerr PPaarrttss LLiisstt:: TThhee ddeessiiggnn aanndd ccoonnssttrruuccttiioonn ooff aa ttoorrssiioonn tteesstteerr iiss pprreesseenntteedd.. PPaarrttss ttoo mmaakkee tthhiiss uunniitt iinncclluuddee::

0.5 in. Dia. Glue Stick Work Done Plot

0

100

200

300

400

500

600

0 0.5 1 1.5

Shear Strain

Wo

rk lb

s .in

./in

.^3

Total Work Up lbin/In^3

Total WorkDwlb-in/in.^3

0.5 in. Dia. Glue Stick Rate of Torsional Loading Plot

-500

0

500

1000

1500

2000

0 0.5 1 1.5

Shear Strain

Lo

adin

g R

ate

in-l

bs/

in.^

3per

rad

/rad

UpRate lb/in^2

DwRate lb/in^2

Page 6.666.52

Proceedings of the 2001 American Society for Engineering Education Annual Conference & Exposition Copyright 2001, American Society for Engineering Education

11.. FFlleexx--AAnnggllee™™,, ooff ssiizzee 11 11//22 bbyy 22 11//44 iinncchheess

AA.. 44 ppiieecceess 1188 iinncchheess lloonngg ffoorr uupprriigghhttss,,

BB.. 88 ppiieecceess 66 iinncchh lloonngg ppiieecceess ffoorr tthhee ccaaggeess -- ffoouurr ffoorr eeaacchh ccaaggee,,

22.. TTwwoo ½½ iinncchh ddiiaammeetteerr ffiinnee tthhrreeaadd bboollttss 22 ½½ iinncchheess lloonngg ((11//22--2200UUNNFF--22AAxx2211//22 HHXX HHDD BBoolltt)) -- oonnee ffoorr tthhee ddiisskk vviiaa tthhee LLaazzyy SSuussaann iinnttoo tthhee uuppppeerr cchhuucckk aanndd oonnee ffoorr tthhee lloowweerr mmoovveeaabbllee ttaaiill ppiieeccee aanndd lloowweerr cchhuucckk pplluuss sseevveenn ½½ iinncchh bboolltt wwaasshheerrss ttoo bbee uusseedd aass ssppaacceerrss,,

33.. TTwwoo ½½ iinncchh ddiiaammeetteerr JJaaccoobbss MMuullttii--CCrraafftt®® ddrriillll cchhuucckkss,,

44.. TTwweellvvee 55//1166 iinncchh bbyy 11 iinncchh lloonngg bboollttss aanndd nnuuttss ffoorr tthhee FFlleexx aannggllee aanndd ppoossiittiioonn iinnddiiccaattoorr,,

55.. FFoouurr 44--4400 rroouunndd hheeaadd 11//22 iinncchh lloonngg mmaacchhiinnee ssccrreewwss aanndd ssiixx wwaasshheerrss ttoo mmoouunntt tthhee LLaazzyy SSuussaann ttoo tthhee uuppppeerr FFlleexx aannggllee ccaaggee aanndd 44 nnuummbbeerr 55 rroouunndd hheeaadd wwoooodd ssccrreewwss ttoo ffaasstteenn tthhee bbeeaarriinngg ttoo tthhee lloowweerr cchhiippbbooaarrdd ddiisscc

66.. OOnnee 44 iinncchh ddiiaammeetteerr LLaazzyy SSuussaann bbeeaarriinngg mmaaddee bbyy EENN--PPAAKK®®,,

77.. TTwwoo 11//22 iinncchh tthhiicckk cchhiippbbooaarrdd ddiisskkss eeaacchh wwiitthh aa ½½ iinncchh ddiiaammeetteerr hhoollee iinn tthhee cceenntteerr aanndd aa cciirrccuummffeerreennttiiaall ‘‘VV//UU sshhaappeedd’’ ggrroooovvee 11//88 iinncchh ddeeeepp -- oonnee 44 iinncchh ddiiaammeetteerr aanndd oonnee 88 iinncchh ddiiaammeetteerr aarree ttoo bbee mmaaddee,,

88.. FFiiffttyy ffeeeett ooff 5500 ppoouunndd tteesstt ffiisshh lliinnee,,

99.. AA 2200 NNeewwttoonn OOhhaauuss®® llooaadd ssccaallee ttoo aappppllyy ffoorrccee,,

1100.. PPaappeerr tteemmppllaattee ffoorr cciirrccuullaarr ddiisskk ttoo mmaarrkk 00,,9900,,118800,, aanndd 227700 ddeeggrreeeess ooff ddiisskk rroottaattiioonn aanndd ttoo bbee gglluuee ttoo tthhee uuppppeerr ssuurrffaaccee ooff lloowweerr cchhiippbbooaarrdd ddiisskk,,

1111.. AAnn 88 iinncchh lloonngg ffllaatt hheeaadd ppiieeccee ooff 11//88 iinncchh ddiiaammeetteerr wwiirree ttoo bbee bbeenntt ffoorr rroottaarryy ppoossiittiioonn iinnddiiccaattoorr aanndd mmoouunntteedd oonn tthhee uuppppeerr ccaaggee wwiitthh aa 77//1166 bboolltt wwiitthh nnuutt,,

1122.. OOnnee wwoooodd ““22 xx 33”” xx 55 ½½ iinncchh lloonngg wwiitthh 1177//3322 iinncchh ddiiaammeetteerr tthhrroouugghh hhoollee iinn tthhee cceenntteerr ooff tthhee 33 xx 55 ½½ iinncchh ffaaccee,,

1133.. OOnnee 1100 iinn bbyy 3300 iinn bbyy 11 iinncchh mmoouunnttiinngg bbooaarrdd,, aanndd

1144.. TTwwoo ccaarrrryyiinngg hhaannddlleess ((pprroottrruuddiinngg wwiinnddooww hhaannddllee ssttyyllee..)) pplluuss 88 nnuummbbeerr 55 bbyy ½½ iinncchh lloonngg mmoouunnttiinngg ssccrreewwss,,

1155.. AA ‘‘UU’’ BBoolltt ttoo bbee mmaaddee ffrroomm aa 1133 iinncchh lloonngg ¼¼ iinncchh ddiiaammeetteerr tthhrreeaaddeedd rroodd bbeenntt ttoo hhaavvee ttwwoo 9900 ddeeggrreeee 44 iinncchh lloonngg lleeggss ttoo ppllaaccee iinnttoo tthhee tteesstteerr bbeellooww tthhee lloowweerr ggrriipp//ccrroossss--hheeaadd ttoo pprreevveenntt tthhee hheeaadd ffrroomm ffaalllliinngg,,

1166.. FFoouurr 77//1166 oonnee iinncchh lloonngg mmaacchhiinnee ssccrreewwss wwiitthh wwaasshheerrss aanndd nnuuttss ttoo ffaasstteenn tthhee tteesstteerr vviiaa tthhee lloowweerr ccaaggee ttoo tthhee mmoouunnttiinngg bbooaarrdd..

1177.. AA ssmmaallll cc--ccllaammpp ccaann bbee uusseedd ttoo bblloocckk rroottaattiioonn ooff tthhee ttoorrssiioonn wwhheeeell wwhheenn ppllaacceedd oonn tthhee ddiisskk tthhaatt eexxtteennddss ppaasstt tthhee uuppppeerr ccaaggee..

Page 6.666.53

Proceedings of the 2001 American Society for Engineering Education Annual Conference & Exposition Copyright 2001, American Society for Engineering Education

AAppppeennddiixx -- VViieeww ooff tthhee TToorrssiioonn TTeesstteerr:: NNoottee tthhee ppooiinntteerr ttoo tthhee ttoopp lleefftt ooff tthhee lloowweerr wwhheeeell,, tthhee uuppppeerr aanndd lloowweerr ccaaggeess,, tthhee mmoovveeaabbllee ccrroossss hheeaadd,, tthhee ‘‘UU’’ bboolltt jjuusstt bbeellooww tthhee ccrroossss hheeaadd,, aanndd tthhee JJaaccoobbss cchhuucckk kkeeyy uusseedd ttoo ttiigghhtteenn tthhee cchhuucckk jjaawwss oonnttoo tthhee gglluuee ssttiicckk..

FFiigguurree 11AA.. PPiiccttuurree ooff TToorrssiioonn TTeesstteerr

AAppppeennddiixx -- AAsssseemmbbllyy:: OObbttaaiinn tthhee ppaarrttss.. AAsssseemmbbllee tthhee uuppppeerr aanndd lloowweerr ccaaggeess wwiitthh oonnee bboolltt iinn tthhee ccoorrnneerrss ooff tthhee nnaarrrrooww ssuurrffaaccee.. CChheecckk tthhaatt tthhee ppiieecceess ffoorrmm aa ssqquuaarree.. JJooiinn tthhee ffoouurr 1188 iinncchh ppiieecceess oonn tthhee wwiiddee ddiimmeennssiioonn wwiitthh oonnee aanndd oonnee--hhaallff iinncchheess oovveerrllaapp aanndd ffaasstteenn eeaacchh uunniitt ooff ttwwoo ppiieecceess wwiitthh oonnee bboolltt iinn eeaacchh eenndd ttoo ccaaggeess.. FFaasstteenn tthhee lloowweerr wwooooddeenn bblloocckk vviiaa tthhee ½½ bboolltt,, aa wwaasshheerr,, tthhee bblloocckk,, aa wwaasshheerr aanndd tthhee cchhuucckk.. MMaakkee tthhee ddiisskkss.. MMoouunntt tthhee ppaappeerr tteemmppllaattee oonn tthhee ttoopp ssuurrffaaccee ooff tthhee llaarrggee ddiisskk.. TThhee uuppppeerr bboolltt ppaasssseess aa wwaasshheerr,, ttwwoo ddiisskkss,, tthhrreeee wwaasshheerrss iinnttoo tthhee uuppppeerr cchhuucckk.. TToo tthhee uuppppeerr ccaaggee ffaasstteenn tthhee llaazzyy SSuussaann bbeeaarriinngg vviiaa tthhee 44 ssmmaallll ssccrreewwss aanndd wwaasshheerrss.. PPrriioorr ttoo tthhiiss tthhee llaazzyy SSuussaann bbeeaarriinngg iiss ffaasstteenneedd ttoo tthhee lloowweerr ddiisskk wwiitthh tthhee ffoouurr wwoooodd ssccrreewwss.. BBee ssuurree tthhee aalliiggnnmmeenntt iiss ggoooodd.. MMoouunntt tthhee ppoossiittiioonn ppooiinntteerr oonn tthhee ttoopp ccaaggee.. WWiinndd tthhee ffiisshh lliinnee aarroouunndd tthhee uuppppeerr ddiisskk ggrroooovvee -- iiff tthhee lliinnee iiss lloonngg ffrriiccttiioonn wwiillll hhoolldd tthhee lliinnee.. OOtthheerrwwiissee,, ddrriillll ttwwoo 11//88 iinncchh ddiiaammeetteerr hhoolleess 33//88 iinncchheess aappaarrtt nneeaarr tthhee eeddggee ggrroooovvee aanndd mmaakkee aa ccuutt aaccrroossss tthhee eeddggee ggrroooovvee ffrroomm oonnee hhoollee ttoo tthhee ggrroooovvee iinn tthhee ddiisskk aanndd ttiiee tthhee lliinnee ddoowwnn.. CCeenntteerr tthhee lloowweerr ccaaggee oonn tthhee mmoouunnttiinngg bbooaarrdd.. TThheenn mmaarrkk aanndd ddrriillll ffoouurr hhoolleess iinn tthhee mmoouunnttiinngg bbooaarrdd aalliiggnneedd wwiitthh tthhee cceenntteerrss ooff tthhee ffoouurr ssiiddeess ooff tthhee lloowweerr ccaaggee.. CCoouunntteerrssiinnkk tthhee hhoollee ffrroomm tthhee bboottttoomm bbooaarrdd ssuurrffaaccee aanndd ppllaaccee tthhee ffllaatt hheeaadd mmaacchhiinnee ssccrreewwss iinnttoo tthhee bbooaarrdd aanndd aadddd wwaasshheerrss aanndd bboollttss iinnssiiddee tthhee ccaaggee.. AAcckknnoowwlleeddggmmeennttss:: TThhee aauutthhoorr iiss aapppprreecciiaattiivvee ooff tthhee aassssiissttaannccee pprroovviiddeedd bbyy MMrrss.. KKaarrpplluuss tthhrroouugghhoouutt tthhee ccoonnssttrruuccttiioonn,, aasssseessssmmeenntt aanndd ccoonndduuccttiioonn ooff eeaarrllyy tteesstt wwiitthh tthhee ttoorrssiioonnaall tteesstt aappppaarraattuuss..

Page 6.666.54

Proceedings of the 2001 American Society for Engineering Education Annual Conference & Exposition Copyright 2001, American Society for Engineering Education

BBiibblliiooggrraapphhyy:: AALLAANN KK.. KKAARRPPLLUUSS AAllaann KK.. KKaarrpplluuss iiss PPrrooffeessssoorr ooff MMeecchhaanniiccaall EEnnggiinneeeerriinngg aatt WWeesstteerrnn NNeeww EEnnggllaanndd CCoolllleeggee,, SSpprriinnggffiieelldd,, MMaassssaacchhuusseettttss.. HHee hhaass aa BBaacchheelloorr’’ss ddeeggrreeee ffoorr TTuuffttss CCoolllleeggee,, aa MMaasstteerr’’ss ddeeggrreeee ffrroomm IIoowwaa SSttaattee UUnniivveerrssiittyy,, aanndd aa PPhh..DD.. ffrroomm CCoolloorraaddoo SSaattee UUnniivveerrssiittyy.. HHee hhaass bbeeeenn iinnvvoollvveedd wwiitthh tthhee ffrreesshhmmaann eennggiinneeeerriinngg pprrooggrraamm,, ccoooorrddiinnaatteess tthhee sseenniioorr mmeecchhaanniiccaall eennggiinneeeerriinngg llaabboorraattoorryy pprrooggrraamm,, hhaass ttaauugghhtt MMaatteerriiaallss SScciieennccee aanndd ssuuppeerrvviisseess MM..EE.. SSeenniioorr PPrroojjeeccttss.. HHiiss iinntteerreessttss iinncclluuddee mmaatteerriiaallss aanndd ddeessiiggnn.. HHee iiss aa mmeemmbbeerr ooff AASSMMEE aanndd AASSEEEE.. HHee hhaass ccoonnttrriibbuutteedd ttoo tthhee NNaattiioonnaall EEdduuccaattoorrss’’ WWoorrkksshhoopp aanndd AASSEEEE AAnnnnuuaall CCoonnffeerreennccee ffoorr sseevveerraall yyeeaarrss..

Page 6.666.55