Фізика. Повторне видання. 7 клас. Бар’яхтар

§ 23. Деформація тіла. Сила пружності

На початку відомого твору «Наталка Полтавка» Івана Котляревського дівчина співає пісню: «Віють вітри, віють буйні, аж дерева гнуться...». Фізики кажуть: дерева деформуються. Про деформацію та види деформації ітиметься в цьому параграфі.

1. Що таке деформація? Види деформації

Наслідком дії на тіло сили може бути як зміна швидкості його руху, так і деформація тіла. Наприклад, якщо штовхнути м’ячик, то він почне рухатись, а деякі його частини під час поштовху змістяться одні відносно інших — м’ячик деформується.

Деформація — зміна форми та (або) розмірів тіла.

За тим, як саме частини тіла зміщуються одна відносно одної, розрізняють деформації розтягнення, стиснення, вигину, кручення, зсуву (див. таблицю).

Наведіть три власні приклади деформації (у техніці, побуті, природі) для кожного стовпця таблиці.

Завдання 1. Підведіться зі стільця та виконайте такі фізичні вправи, як присідання, повороти тулуба, нахили тощо. Які види деформацій зазнає ваш хребет під час виконання цих вправ? Обґрунтуйте свою відповідь.

2. Як розрізнити пружні та пластичні деформації?

ДОСЛІДЖЕННЯ

Вам знадобиться: губка для миття посуду та шматочок пластиліну.

Візьміть спочатку губку й стисніть її, потім скрутіть, зігніть, розтягніть тощо. Тепер виконайте ті самі дії зі шматочком пластиліну. До яких висновків ви дійшли? Чи можете ви назвати іншу пару матеріалів, щоб результати були схожі?

Під час виконання цього дослідження ви спостерігали два види деформації: пружну деформацію і пластичну деформацію. Губка, якщо перестати її скручувати, стискати, розтягувати, повністю відновлює свою форму — деформація зникає. Таку деформацію називають пружною.

Пластилін «не пам’ятає» своєї форми й не відновлює її. Пластилін зазнає пластичної деформації.

Деформації, які повністю зникають після припинення дії на тіло зовнішніх сил, називають пружними.

Деформації, які зберігаються після припинення дії на тіло зовнішніх сил, називають пластичними.

Рис. 23.1. Пружні та пластичні деформації

ЧИ ЗНАЄТЕ ВИ, ЩО...

Залежно від умов багато матеріалів можуть виявляти як пружні, так і пластичні властивості. Наприклад, свинець за звичайну них умов є пластичним: якщо ви зігнете свинцеву пластинку, вона так і залишиться деформованою. Проте якщо свинець охолодити до температури -100 °С, то він стає пружним: свинцева пластинка поводиться так само, як і сталева.

Гуму вважають досить пружним матеріалом, тому її використовують для виготовлення ущільнювачів, але за низьких температур гума змінює свої властивості. 28 січня 1986 у зв'язку з несправністю гумового кільцевого ущільнювача вибухнув американський шатл Challenger. Це сталося через 73 секунди після старту. На борту корабля було сім астронавтів. У ході розслідування катастрофи американський фізик Річард Філіпс Фейнман (1918-1988) продемонстрував експеримент: він опустив гуму у склянку з крижаною водою і показав, що гума значно зменшила свою еластичність.

3. Сили пружності

Під час деформації завжди виникає сила, що прагне відновити той стан тіла, в якому воно перебувало до деформації. Цю силу називають силою пружності (рис. 23.2).

Сила пружності — це сила, яка виникає під час деформації тіла і напрямлена протилежно напрямку зміщення частин цього тіла в ході деформації.

Рис. 23.2. Напрямок сили пружності під час деформацій розтягнення та стиснення

4. Чому виникає сила пружності?

Ви вже знаєте, що всі тіла складаються з частинок (атомів, молекул, йонів). У твердих тілах частинки коливаються біля положень рівноваги і взаємодіють міжмолекулярними силами притягання та відштовхування. У положеннях рівноваги ці сили зрівноважені (рис. 23.5, а).

У разі деформації тіла у взаємному розташуванні його частинок виникають певні зміни. Якщо відстань між частинками зростає, то міжмолекулярні сили притягання стають сильнішими за сили відштовхування (рис. 23.5, б). Якщо ж частинки зближуються, то сильнішими стають міжмолекулярні сили відштовхування (рис. 23.5, в). Іншими словами: у разі деформації частинки «прагнуть» відновити положення рівноваги.

Рис. 23.5. Міжмолекулярні сили притягання та відштовхування у разі різного розташування частинок

Сили, що виникають у разі зміни положення однієї частинки, дуже малі. Однак коли тіло деформується, то змінюється взаємне розташування величезної кількості частинок. У результаті додавання сил дає помітну рівнодійну, яка протидіє деформації тіла. Це і є сила пружності. Отже, сила пружності — прояв дії міжмолекулярних сил.

ПІДБИВАЄМО ПІДСУМКИ

Деформація — це зміна форми і (або) розмірів тіла.

Пружна деформація — деформація, яка повністю зникає після припинення дії на тіло зовнішніх сил.

Пластична деформація — деформація, яка залишається після припинення дії на тіло зовнішніх сил.

• Сила пружності — це сила, яка виникає під час деформації тіла і намагається повернути тіло в недеформований стан.

• Є проявом дії міжмолекулярних сил.

• Напрямлена протилежно напрямку зміщення частин тіла в процесі деформації.

КОНТРОЛЬНІ ЗАПИТАННЯ

1. Що таке деформація? У чому причина її виникнення? 2. Які існують види деформації? Наведіть приклади. 3. Дайте означення сили пружності. Як вона напрямлена? У чому причина її виникнення?

ВПРАВА № 23

1. Хлопчик намагається стрибнути з трампліна (рис. 1). Якої деформації зазнає дошка трампліна? Яка сила змушує дошку відновитися?

Рис. 1

2. Якої деформації зазнає ланцюг під час витягування відра з водою з колодязя? Куди напрямлена сила пружності, що діє на відро? Як її позначають?

3. На стіл поставили важкий брусок. Що відбувається зі стільницею? Виконайте рисунок і зазначте на ньому силу пружності, що діє на брусок.

4. Брусок поклали на гладеньку горизонтальну поверхню і приєднали до стіни за допомогою двох пружин (рис. 2). До бруска приклали силу 6,7 Н, розтягуючи пружини. Брусок припинив рух, коли сила пружності в другий пружині досягла 2,9 Н. Визначте силу пружності в першій пружині. Виконайте рисунок, на якому в певному масштабі зобразіть сили, що діють на брусок.