Билет 10. Силы упругости: природа сил упругости, виды упругих деформаций, закон Гука в форме Fх=-kх, напряжение, относительное и абсолютное удлинения, модуль Юнга, закон Гука для деформации растяжения, границы применимости закона Гука, диаграмма растяжений.
Силы упругости возникают при деформациях тел. Деформация — это изменение формы и раз-меров тела. К деформациям относятся растяжение, сжатие, кручение, сдвиг и изгиб. Деформации бывают упругими и пластическими. Упругая деформация полностью исчезает после прекращения действия вызывающих её внешних сил, так что тело полностью восстанавливает форму и размеры. Пластическая деформация сохраняется (быть может, частично)после снятия внешней нагрузки, и тело уже не возвращается к прежним размерам и форме.
Частицы тела (молекулы или атомы) взаимодействуют друг с другом силами притяжения и отталкивания, имеющими электромагнитное происхождение (это силы, действующие между ядрами и электронами соседних атомов). Силы взаимодействия зависят о расстояний между частицами. Если деформации нет, то силы притяжения компенсируются силами отталкивания. При деформации изменяются расстояния между частицами, и баланс сил взаимодействия нарушается.
Например, при растяжении стержня расстояния между его частицами увеличиваются, и начинают преобладать силы притяжения. Наоборот, при сжатии стержня расстояния между частицами уменьшаются, и начинают преобладать силы отталкивания. В любом случае возникает сила, которая направлена в сторону, противоположную деформации, и стремится восстановить первоначальную конфигурацию тела.
Сила упругости — это сила, возникающая при упругой деформации тела и направленная в сторону, противоположную смещению частиц тела в процессе деформации. Сила упругости: действует со стороны деформированного тела на соприкасающееся с ним тело, вызывающее деформацию, и приложена в месте контакта данных тел перпендикулярно их поверхностям (типичный пример — сила реакции опоры).
Закомн Гумка — утверждение, согласно которому деформация, возникающая в упругом теле (пружине, мтержне, консоли, балке и т. п.), пропорциональна приложенной к этому телу силе
Для тонкого растяжимого стержня закон Гука имеет вид:
Здесь — сила, которой растягивают (сжимают) стержень, — абсолютное удлинение (сжатие) стержня, а — коэффицеинт упругости (или жёсткости).
Также при расчёте прямых стержней применяют запись закона Гука в относительной форме
Линейная деформация (деформация растяжения) – деформация, при которой происходит изменение только одного линейного размера тела.
Количественно она характеризуется абсолютным Дl и относительным е удлинением.
Дl=|l−l0| , где Дl – абсолютное удлинение (м); l и l0 – конечная и начальная длина тела (м).
Если тело растягивают, то l > l0 и Дl = l – l0; если тело сжимают, то l < l0 и Дl = –(l – l0) = l0 – l, е=Дl/l0, где е – относительное удлинение тела, Дl – абсолютное удлинение тела (м); l0 –начальная длина тела (м).
Модуль Юнга (модуль продольной упругости) — физическая величина, характеризующая свойства материала сопротивляться растяжению/сжатию при упругой деформации.
где: F — нормальная составляющая силы, S — площадь поверхности, по которой распределено действие силы, l — длина деформируемого стержня,
— модуль изменения длины стержня в результате упругой деформации (измеренного в тех же единицах, что и длина l).
Механическое напряжение — это мера внутренних сил, возникающих в деформируемом теле, под влиянием различных факторов. Механическое напряжение в точке тела определяется как отношение внутренней силы к единице площади в данной точке рассматриваемого сечения.
Напряжения являются результатом взаимодействия частиц тела при его нагружении. Внешние силы стремятся изменить взаимное расположение частиц, а возникающие при этом напряжения препятствуют смещению частиц, ограничивая его в большинстве случаев некоторой малой величиной.
. — механическое напряжение. F — сила, возникшая в теле при деформации. S — площадь.
Закон Гука в иной форме , механическое напряжение прямо пропорционально относительному удлинению.
Для исследования деформации растяжения стержень из исследуемого материала при помощи специальных устройств (например, с помощью гидравлического пресса) подвергают растяжению и измеряют удлинение образца и возникающее в нем напряжение. По результатам опытов вычерчивают график зависимости напряжения у от относительного удлинения е. Этот график называют диаграммой растяжения (рис. 1).
Как видно из рисунка, диаграмма имеет четыре характерных участка:
I - участок пропорциональности;
II - участок текучести;
III - участок самоупрочнения;
IV - участок разрушения.
В самом начале испытания на растяжение, растягивающая сила F, а следовательно, и деформация Дl стержня равны нулю, поэтому диаграмма начинается из точки пересечения соответствующих осей (точка О).
На участке I до точки A диаграмма вычерчивается в виде прямой линии. Это говорит о том, что на данном отрезке диаграммы, деформации стержня Дl растут пропорционально увеличивающейся нагрузке F.
После прохождения точки А диаграмма резко меняет свое направление и на частке IIначинающемся в точке B линия какое-то время идет практически параллельно оси Дl, то есть деформации стержня увеличиваются при практически одном и том же значении нагрузки.
В этот момент в металле образца начинают происходить необратимые изменения. Перестраивается кристаллическая решетка металла. При этом наблюдается эффект его самоупрочнения.
После повышения прочности материала образца, диаграмма снова "идет вверх" (участокIII) и в точке D растягивающее усилие достигает максимального значения. В этот момент в рабочей части испытуемого образца появляется локальное утоньшение (рис. 2), так называемая "шейка", вызванное нарушениями структуры материала (образованием пустот, микротрещин и т. д.).
Рис. 2 Стальной образец с "шейкой"
Вследствие утоньшения, и следовательно, уменьшения площади поперечного сечения образца, растягиваещее усилие необходимое для его растяжения уменьшается, и кривая диаграммы "идет вниз".
В точке E происходит разрыв образца. Разрывается образец конечно же в сечении, где была образована "шейка"
Урок№10 10 класс Дата_____________
" Силы в природе. Сила упругости, трения "
Цель урока:
Продолжить знакомить учащихся с силами всемирного тяготения, с основными проявлениями закона всемирного тяготения, дать понятие силы тяжести, веса тела, невесомости, выяснить природу сил упругости и трения, рассмотреть способы уменьшения и увеличения сил трения;
научить учащихся находить информацию на заданную тему в различных источниках, сравнивать ее и критически осмысливать;
учить учащихся выделять главное в информации и излагать ее в доступной для присутствующих в классе форме.
Тип урока: комбинированный.
Методы словесные, наглядные.
План урока.
Организационный момент. Приветствие учащихся, проверка готовности к уроку.
Постановка цели урока.
Актуализация ранее изученного материала. Проверка знаний учащихся на начальном этапе урока
Основной этап урока. Изучение нового материала.
Закрепление материала
Итоговый этап. Оценивание знаний учащихся. Домашнее задани
Ход урока:
Актуализация знаний: “Силы в природе”.
Бесконечно сложной кажется на первый взгляд картина взаимодействий в природе. Однако все их многообразие сводится к очень небольшому числу фундаментальных сил.
Что это за фундаментальные силы? Сколько их? Каким образом сводится к ним вся сложная картина связей в окружающем нас мире? Об этом мы и поговорим с вами на сегодняшнем уроке.
Рассмотрим понятие СИЛА в повседневной речи.
Почти в любом толковом словаре объяснению этого слова отводится едва ли не самое большое место.
В словаре В.Даля можно прочесть: “ сила – это источник, начало, основная причина всякого действия, движения, стремления, побуждения, всякой вещественной перемены в пространстве, или: “начало изменяемости мировых явлений”
А как вам нравится еще одно определение силы у того же В.Даля: “Сила – есть отвлеченное понятие общего свойства вещества, тел, ничего не объясняющее, а собирающее только все явления под одно общее понятие и название”.
Учащиеся обсуждают оба определения и высказывают свою точку зрения по данному вопросу.
Разнообразие смыслов, в которых употребляется слово “СИЛА”, поистине удивительно: здесь физическая сила и сила воли, лошадиная сила и сила убеждения, стихийные силы и силы страсти и т.д.
Но, может быть, словарь В.Даля устарел? Обратимся к словарю русского языка С.И.Ожегова, который составлен в 1953 году. Здесь мы не найдем вообще единого определения этого слова, зато увидим сразу десять различных толкований от “центробежной силы” до “силы привычки”, “силы возможности”.
Мы же с вами сегодня будем говорить о тех силах, которые являются предметом изучения в физике.
В механике в основу понимания силы легли ощущения, которые появляются у человека при поднимании груза, при приведении в движение окружающих тел и своего собственного тела. Объяснение искали метафизическое, как и многим другим явлениям и понятиям в те времена.
“Подобно тому, - рассуждали ученые древности – как утомленный путник ускоряет шаги по мере приближения к дому, падающий камень начинает двигаться все быстрее и быстрее, приближаясь к матери – Земле. Как это ни странно для нас, движение живых организмов, например, кошки, казалось в те времена гораздо более простым и понятным, чем падение камня”.
[Лауэ “История физики”]
Только Галилею и Ньютону удалось целиком освободить понятие силы от “стремлений” и “желаний”.
Классическая механика Галилея и Ньютона стала колыбелью научного понимания слова “сила”.
Количественная мера воздействия тел друг на друга называется в механике силой.
Оказывается, несмотря на удивительное многообразие взаимодействий, в природе имеется не более четырех типов взаимодействий.
Какие же они? (Ответ учащихся о четырех типах взаимодействия)
Так уж устроен пытливый человеческий ум, что его привлекают необъяснимые явления, происходящие в природе.
Датский ученый Тихо Браге многие годы наблюдал за движением планет и накопил многочисленные данные, которые впоследствии и обработал его ученик Иоганн Кеплер , создавший законы движения планет вокруг Солнца. Но он не сумел объяснить причину движения планет. На этот вопрос сумел ответить Исаак Ньютон , используя законы движения планет Кеплера, сформулировавший общие законы динамики.
Ньютон предположил, что ряд явлений, казалось бы не имеющих ничего общего, (падение тел на Землю, обращение планет вокруг Солнца, движение Луны вокруг Земли, приливы и отливы и т.д.) вызваны одной причиной. Окинув единым взором “земное” и “небесное”, Ньютон предположил, что существует единый закон Всемирного тяготения, которому подвластны все тела Вселенной – от яблок до планет!
В чем же заключается суть закона Всемирного тяготения?
( Учащиеся рассказывают о силах всемирного тяготения и формулируют закон).
Следующие силы с которыми мы знакомы –это сила упругости и сила трения
1. Природа силы упругости
Вследствие каких-либо деформаций тела всегда возникают силы, препятствующие деформациям; эти силы направлены в сторону восстановления прежних форм и размеров тела, т.е. направлены противоположно деформації. их называют силами упругости.
Сила упругости - это сила, возникающая в результате деформации тела и направленная противоположно направлению смещения частиц в процессе деформации.
Любое тело состоит из частиц (атомов или молекул), а те, в свою очередь, состоят из положительного ядра и отрицательных электронов. Между заряженными частицами существуют силы электромагнитного притяжения и отталкивания. Если частицы находятся в состоянии равновесия, то силы притяжения и отталкивания урвновешивают друг друга.
В случае деформации тела происходят изменения во взаимном расположении частиц. Если расстояние между частицами увеличивается, то электромагнитные силы притяжения превышают силы отталкивания. Если же частицы сближаются, то преобладают силы отталкивания.
Силы, возникающие в результате изменения расположения частиц очень малы. Но вследствие деформации изменяется расположение очень большого количества частиц, поэтому равнодействующая всех сил уже является значительной. Это и есть сила упругости. Следовательно, сила упругости по своему происхождению - электромагнитная сила.
Механическое напряжение
Состояние упруго деформированного тела характеризуют физической величиной, называется механическим напряжением.
Будем растягивать с определенной силой металлический стержень. В любом сечении S деформированного стержня возникают силы упругости, которые препятствуют его разрыву.
Механическое напряжение σ - это физическая величина, которая характеризует деформированное тело и равен отношению модуля силы упругости Fnp к площади поперечного сечения тела S :
Единица механического напряжения в СИ - паскаль (Па).
Опыты показывают, что:
в случае незначительных упругих деформаций механическое напряжение пропорционально относительному удлинению:
Коэффициент пропорциональности Е называется модулем упругости, или модулем Юнга.
Модуль Юнга - это физическая величина, которая характеризует сопротивляемость материала упругой деформации растяжения или сжатия.
Поскольку относительное удлинение ε - безразмерная величина, то единица модуля Юнга в СИ - паскаль (Па).
Закон Гука
В 7 классе мы изучали закон Гука:
в пределах упругой деформации сила упругости прямо пропорциональна абсолютному удлинению пружины:
Жесткость пружины определяется по формуле:
Отсюда следует, что единица жесткости в системе СИ измеряется в Н/м.
Покажем, что выражение также является законом Гука, но в другой форме записи.
По определению, а относительное удлинение Тогда с учетом формулы получаем:
Отсюда:
где - коэффициент жесткости. Следовательно, коэффициент жесткости зависит от упругих свойств материала, из которого изготовлено тело, и его геометрических размеров.
Прямую пропорциональную зависимость между силой упругости и удлинением используют в динамометрах. Сила упругости часто работает в технике и природе: в часовых механизмах, в амортизаторах на транспорте, в канатах, тросах, в человеческих костях и мышцах т.д.
2 Сила трения
Жизнь – это движение!!!
Без каких сил невозможно движение? (Без сил трения.)
Что вы знаете об этой силе? (Рассказ о силе трения, о силе трения покоя, о силе трения скольжения.).
Еще один вид сил электромагнитного происхождения, с которыми имеют дело в механике, - это силы трения. Эти силы действуют вдоль поверхности тел при их непосредственном соприкосновении.
Главная особенность сил трения, отличающая их от сил упругости, состоит в том, что они зависят от скорости движения тел относительно друг друга.
Попробуем разобраться, от чего зависят силы трения.
Силы, действующие между поверхностями соприкасающихся твердых тел, называются силами трения.
Они всегда направлены по касательной к соприкасающимся поверхностям.
Различают: силу трения покоя, силу трения скольжения, силу трения качения.
Установлено, что F тр.пок > F тр. ск. ; F тр.ск.> F тр. кач. .
Сила трения не зависит от площади контактирующих поверхностей.
Сила трения зависит от вида соприкасающихся поверхностей. На более гладкой поверхности, сила трения меньше, чем на шероховатой.
Сила трения зависит от массы тела (силы реакции опоры), т.е. чем больше масса тела, тем больше сила трения.
При движении тела в жидкости или газе сила трения уменьшается. При медленном движении сила трения пропорциональна скорости движения; при быстром движении- квадрату силы трения.
Сила трения скольжения зависит от нормального давления (или силы реакции опоры), от состояния и вида поверхностей (описываются коэффициентом трения скольжения), что в итоге приводит к следующему закону для силы трения F =µ N .
Трение сопровождает нас повсюду. В одних случаях оно полезно, и мы стараемся его увеличить. В других – вредно, и мы ведем с ним борьбу.
Привести примеры полезного и вредного трения и методы борьбы с ним.
Закрепление
1. Чтобы растянуть пружину на 2 см, нужно приложить силу в 10 Н. Какую силу нужно приложить, чтобы растянуть пружину на 6 см? на 10 см?
2. Вычислите массу груза, висящего на пружине жесткостью 100 Н/м, если удлинение пружины равно 1 см?
3. Вследствие сжатия буферной пружины на 3 см возникает сила упругости 6 кН. На сколько вырастет эта сила, если сжать пружину еще на 2 см?
Подведём итог
Положение с силами в механике вряд ли можно назвать блестящим. Остается не до конца выясненным вопрос о том, вследствие каких физических процессов появляются те или иные силы. Это понимал и Исаак Ньютон . Ему принадлежат слова: “ Я не знаю, чем я кажусь миру; мне же самому кажется, что я был только мальчиком, играющим на берегу моря и развлекающимся тем, что время от времени находил более гладкий камушек или более красивую раковину, чем обыкновенно, в то время как великий океан истины лежал передо мной совершенно неразгаданный…”
[И.Ньютон]
Как вы понимаете слова Ньютона?
О каком океане истины идет речь в его словах?
Итог урока
Что нового вы узнали сегодня на уроке?
Какова особенность силы трения?
Как зависит сила сопротивления от скорости движения тела?
Какая деформация называется упругой?
Какие силы являются следствием деформации тела?
Сколько же различных типов сил существует в природе?
Домашнее задание: создать проект на тему “ Силы в природе”, включив в неё презентацию о силах.
Продолжаем обзор некоторых теми из раздела «Механика». Наша сегодняшняя встреча посвящена силе упругости.
Именно эта сила лежит в основе работы механических часов, её воздействию подвергаются буксирные канаты и тросы подъемных кранов, амортизаторы автомобилей и железнодорожных составов. Её испытывает мяч и теннисный шарик, ракетка и другой спортивный инвентарь. Как возникает эта сила, и каким закономерностям подчиняется?
Как рождается сила упругости
Метеорит под действием земного тяготения падает на землю и… замирает. Почему? Разве земное тяготение исчезает? Нет. Сила не может исчезнуть просто так. В момент соприкосновения с землей уравновешивается другой силой равной ей по величине и противоположной по направлению. И метеорит, как и другие тела на поверхности земли, остается в покое.
Этой уравновешивающей силой является сила упругости.
Такие же упругие силы появляются в теле при всех видах деформации:
- растяжения;
- сжатия;
- сдвига;
- изгиба;
- кручения.
Силы, возникающие в результате деформации, называются упругими.
Природа силы упругости
Механизм возникновение сил упругости удалось объяснить лишь в XX веке, когда была установлена природа сил межмолекулярного взаимодействия. Физики назвали их «гигантом с короткими руками». Каков смысл этого остроумного сравнения?
Между молекулами и атомами вещества действуют силы притяжения и отталкивания. Такое взаимодействие обусловлено, входящими в их состав мельчайших частиц, несущих положительные и отрицательные заряды. Силы эти достаточно велики (отсюда слово гигант), но проявляются лишь на очень малых расстояниях (с короткими руками). При расстояниях равных утроенному диаметру молекулы, эти частицы притягиваются, «радостно» устремляясь, друг к другу.
Но, соприкоснувшись, начинают активно отталкиваться друг от друга.
При деформации растяжения расстояние между молекулами возрастает. Межмолекулярные силы стремятся его сократить. При сжатии молекулы сближаются, что порождает отталкивание молекул.
А, поскольку все виды деформаций можно свести к сжатию и растяжению, то появление упругих сил при любых деформациях объяснимо этими рассуждениями.
Закон, установленный Гуком
Изучением сил упругости и их взаимосвязью с другими физическими величинами занимался соотечественник и современник . Его считают основоположником экспериментальной физики.
Учёный продолжал свои эксперименты около 20 лет. Он проводил опыты по деформации растяжения пружин, подвешивая к ним различные грузы. Подвешиваемый груз вызывал растяжение пружины до тех пор, пока возникшая в ней сила упругости не уравновешивала вес груза.
В результате многочисленных экспериментов ученый делает вывод: приложенная внешняя сила вызывает возникновение равной ей по величине силе упругости, действующей в противоположном направлении.
Сформулированный им закон (закон Гука) звучит так:
Сила упругости, возникающая при деформации тела, прямо пропорциональна величине деформации и направлена в сторону, противоположную перемещению частиц.
Формула закона Гука имеет вид:
- F - модуль, т. е. численное значение силы упругости;
- х - изменение длины тела;
- k - коэффициент жесткости, зависящий от формы, размеров и материала тела.
Знак минус указывает то, что сила упругости направлена в сторону противоположную смещению частиц.
Каждый физический закон имеет свои границы применения. Закон, установленный Гуком можно применять только к упругим деформациям, когда после снятия нагрузки форма и размеры тела полностью восстанавливаются.
У пластичных тел (пластилин, влажная глина) такого восстановления не происходит.
Упругостью в той или иной степени обладают все твёрдые тела. Первое место по упругости занимает резина, второе - . Даже очень упругие материалы при определенных нагрузках могут проявлять пластичные свойства. Это используют для изготовления проволоки, вырезания специальными штампами деталей сложной формы.
Если у вас есть ручные кухонные весы (безмен), то на них наверняка написан максимальный вес, на который они рассчитаны. Скажем 2 кг. При подвешивании более тяжелого груза, находящаяся в них стальная пружина уже никогда не восстановит свою форму.
Работа силы упругости
Как и любая сила, сила упругости, способна совершать работу. Причем очень полезную. Она предохраняет деформируемое тело от разрушения. Если она с этим не справляется, наступает разрушение тела. Например, разрывается трос подъёмного крана, струна на гитаре, резинка на рогатке, пружина на весах. Эта работа всегда имеет знак минус, поскольку сама сила упругости тоже отрицательна.
Вместо послесловия
Вооружившись некоторыми сведениями о силах упругости и деформациях, мы легко ответим на некоторые вопросы. Скажем, почему крупные кости у человека имеют трубчатое строение?
Изогните металлическую или деревянную линейку. Её выпуклая часть испытает деформацию растяжения, а вогнутая - сжатия. Средняя же часть нагрузки не несет. Природа и воспользовалась этим обстоятельством, снабдив человека и животных трубчатыми костями. В процессе движения кости, мышцы и сухожилья испытывают все виды деформаций. Трубчатое строение костей значительно облегчает их вес, абсолютно не влияя на их прочность.
Стебли злаковых культур имеют такое же строение. Порывы ветра пригибают их до земли, а силы упругости помогают выпрямиться. Кстати, рама у велосипеда тоже изготавливается из трубок, а не из стержней: вес намного меньше и металл экономится.
Закон, установленный Робертом Гуком, послужил основой для создания теории упругости. Расчёты, выполненные по формулам этой теории, позволяют обеспечить долговечность высотных сооружений и других конструкций .
Если это сообщение тебе пригодилось, буда рада видеть тебя
Виды деформаций.
Деформацией называют изменение формы, размеров или объема тела.
Деформация может быть вызвана действием на тело приложенных к нему внешних сил.
Деформации, полностью исчезающие после прекращения действия на тело внешних сил, называют упругими
, а деформации, сохраняющиеся и после того, как внешние силы перестали действовать на тело, - пластическими
.
Различают деформации растяжения
или сжатия
(одностороннего или всестороннего), изгиба
, кручения
и сдвига
.
Сила, возникающая в теле в результате его деформации и стремящаяся вернуть тело в исходное положение, называется силой упругости .
Сила упругости имеет электромагнитную природу.
Закон Гука: при упругих деформациях сила упругости прямо пропорциональна абсолютному удлинению тела.
F упр =- kΔl
F упр – сила упругости; k – коэффициент пропорциональности, называемый жесткостью; Δl – удлинение тела (изменение его длины).
Знак «минус» показывает, что сила упругости направлена противоположно деформации тела.
Закон Гука справедлив только для упругой деформации.
Деформация является упругой, если после прекращения действия сил, деформирующих тело, оно возвращается в исходное положение.
2..Колебательный контур. Свободные электромагнитные колебания. Затухание свободных колебаний. Формула Томсона.
Электромагнитные колебания - это колебания электрического и магнитного полей, которые сопровождаются периодическим изменением заряда, силы тока и напряжения. Простейшей системой, где могут возникнуть и существовать свободные электромагнитные колебания, является колебательный контур. Колебательный контур - это цепь, состоящая из катушки индуктивности и конденсатора (рис. 29, а). Если конденсатор зарядить и замкнуть на катушку, то по катушке потечет ток (рис. 29, б). Когда конденсатор разрядится, ток в цепи не прекратится из-за самоиндукции в катушке. Индукционный ток, в соответствии с правилом Ленца, будет иметь то же направление и перезарядит конденсатор (рис. 29, в). Процесс будет повторяться (рис. 29, г) по аналогии с колебаниями маятника.
Таким образом, в колебательном контуре будут происходить электромагнитные колебания
из-за превращения энергии электрического поля конденсатора () в энергию магнитного поля катушки с током (
), и наоборот. Период электромагнитных колебаний в идеальном колебательном контуре (т. е. в таком контуре, где нет потерь энергии) зависит от индуктивности катушки и емкости конденсатора и находится по формуле Томсона . Частота с периодом связана обратно пропорциональной зависимостью .
В реальном колебательном контуре свободные электромагнитные колебания будут затухающими из-за потерь энергии на нагревание проводов. Для практического применения важно получить незатухающие электромагнитные колебания, а для этого необходимо колебательный контур пополнять электроэнергией, чтобы скомпенсировать потери энергии.
Что такое сила упругости?
Силой упругости называют такую силу, которая возникает через деформации тела и направленная в сторону, противоположную перемещениям частиц тела при деформации.
Для более наглядного примера, чтобы лучше понять, что такое сила упругости, возьмем яркий пример из повседневной жизни. Представьте, что перед вами обычная бельевая веревка, на которую вы повесили мокрое белье. Если на хорошо натянутую горизонтально веревку мы повесим мокрое белье, то увидим, как под весом вещей эта веревка начинает прогибаться и растягиваться.
Вначале мы с вами вешаем на веревку одну мокрую вещь и видим, как она вместе с веревкой прогибается к земле, а потом останавливается. Затем мы вешаем следующую вещь и видим, что повторяется такое же действие и веревка прогибается еще больше.
В этом случае напрашивается вывод, что при увеличении силы, которая воздействует на веревку, будет происходить деформация, пока силы противодействия этой деформации не будут равны весу всех вещей. И только после этого движение вниз прекратится.
Следует отметить, что работа силы упругости заключается в сохранении целостности предметов, на которые мы воздействуем другими предметами. Если силы упругости не способны с этим справиться, то тогда тело деформируется безвозвратно, то есть веревка может просто порваться.
И здесь напрашивается риторический вопрос. В какой момент возникла сила упругости? А возникает она тогда, когда мы только начинаем вешать белье, то есть в момент первоначального воздействия на тело. И когда белье высохло, и мы его снимаем, то сила упругости исчезает.
Разновидности деформаций
Теперь нам уже известно, что сила упругости появляется в результате деформации.
Давайте вспомним, что такое деформация? Деформацией называют изменение объема или формы тела под действием внешних сил.
А причиной возникновения деформации является то, что разчные части тела движутся не одинаково, а по-разному. При одинаковом движении тело постоянно имело бы свою первоначальную форму и размеры, то есть оно бы не деформировалось.
Давайте рассмотрим вопрос о там, какие разновидности деформации мы можем наблюдать.
Виды деформации можно разделить по характеру изменения их формы.
К тому же, деформация делится на два типа. В этом случае деформация может быть упругой или пластической деформацию.
Если, к примеру, взять и растянуть пружину, а потом ее отпустить, то после такой деформации пружина восстановит свои прежние размеры и форму. Это и будет примером упругой деформации.
То есть, если мы видим, что после прекращения действия на тело деформация полностью исчезает, то такая деформация является упругой.
А теперь наведем другой пример. Давайте возьмем кусочек пластилина и сожмем его или слепим какую-нибудь фигурку. Мы с вами видим, что даже после прекращения действия пластилин не изменил форму, то есть остался деформированным. Такая неупругая деформация и является пластической.
При пластической деформации она сохраняется даже тогда, когда на нее перестают действовать внешние силы.
Такой вид деформации используют помимо лепки из глины или пластилина и при технических процессах ковки и штамповки.
Задание: Опишите, какие виды деформации вы видите на изображении?
Сила упругости и закон Гука
От величины деформации, которой подвергается какое-либо тело, зависит и величина силы упругости. Следовательно, деформация и сила упругости находятся в тесной взаимосвязи. Если подверглась изменениям одна величина, то значит, появились изменения и в другой.
Поэтому, если нам известна деформация тела, то мы можем просчитать силу упругости, которая возникла в этом теле. И наоборот, если мы знаем силу упругости, то можем легко определить степень деформации тела.
Когда, например, взять пружину и к ней подвесить одинаковой массы гирьки, то можно увидеть, что с каждым последующим подвешенным грузом, все сильнее растягивается пружина. И замете, что чем больше эта пружина деформируется, тем больше становится сила упругости.
А если учесть то, что гирьки имеют одинаковую массу, то подвешивая их поочередно, можно заметить, что с каждым новым подвешиванием увеличивается длина пружины ровно на такую же величину.
Чтобы найти соотношение между силой упругости и деформацией упругого тела, нужно воспользоваться формулой, которая была открыта известным английским ученым Робертом Гуком.
Ученый установил простую связь между увеличением длины тела и силой упругости, которая была вызвана этим удлинением.
В этой формуле дельта обозначает изменения, которые происходят с величиной.
Закон Гука утверждает, что при малых деформациях сила упругости прямо пропорциональна удлинению тела.
То есть, чем больше появляется деформация, тем большую силу упругости мы можем наблюдать.
Но необходимо также отметить, что закон Гука справедлив лишь там, где присутствует упругая деформация.
Сила упругости в природе
Сила упругости довольно значимую роль играет и в природе. Ведь только благодаря этой силе, ткани растений, животных и человека способны выдерживать огромные нагрузки и при этом не сломаться и не разрушиться.
Вы, наверное, не раз наблюдали такую картину, как под порывом ветра сгибаются растения или под тяжестью снега прогибаются ветки деревьев, а в результате действия силы упругости возвращаются в свою предыдущую форму.
Также, каждый из вас мог наблюдать, как под натиском сильного ураганного ветра, ломались ветки деревьев. А такой итог мы можем наблюдать тогда, когда действие силы ветра превышает силы упругости самого дерева.
Все находящиеся на Земле тела способны выдерживать силу атмосферного давления только благодаря силе упругости. Обитатели глубоких водоемов способны выдерживать еще большую нагрузку. Поэтому можно прийти к закономерному выводу, что только благодаря силе упругости, все живые организмы в природе имеют возможность не только переносить механические нагрузки, но и сохранить свою форму в целостности.
Сидящие на ветках деревьев стайки птиц, весящие на кустах грозди винограда, огромные шапки снега на еловых лапах – это наглядная демонстрация сил упругости в природе.
Знаменитый закон Гука применяется практически во всех сферах нашей жизни. Без него никак нельзя обойтись ни в повседневном быту, ни в архитектуре. Этот закон используют при строительстве домов и автомобилей. Эго даже применяют в торговле.
Но, наверное, не каждый из вас мог себе представить, что сила упругости может быть применена и на арене цирка. Еще в позапрошлом веке в знаменитом цирке Франкони был продемонстрирован номер под названием «Человек- бомба».
Для этого, на арене цирка установили огромных размеров пушку, из которой произвели выстрел человеком. Зрители были шокированы этим номером, так как не подозревали, что выстрел был произведен не пороховыми газами, а с помощью пружины. В стволе пушки поместили мощную упругую пружину и после команды «пли!» из дула пружина выбрасывала на арену артистку. Ну, а грохот, дым и огонь только усиливали эффект этого номера и наводили ужас на зрителей.
Предмети > Физика > Физика 7 класс