Фізика. 7 клас. Максимович

§ 19. Деформація тіл. Види деформації. Сила пружності. Вага тіла

Чи стрибали ви на батуті? Хто не стрибав — спробуйте. Відчуття незабутні! А чому ми підстрибуємо так високо і так легко? Давайте це з’ясуємо.

Дізнаймося про...

деформацію та її види;
силу, що виникає під час деформації;
вагу тіла та невагомість.

1. Деформація як наслідок взаємодії тіл

Відомо, що внаслідок взаємодії може змінюватися швидкість тіл, а також відбуватися деформація (зміна форми чи розмірів тіла).

Отже, деформація — це зміна форми або розмірів тіла під час взаємодії з іншими тілами.

Під час деформації відстані між частинками тіла змінюються: збільшуються або зменшуються. При цьому переважають сили притягання або сили відштовхування відповідно, які намагаються повернути тіло у недеформований стан.

Частинки тіла зміщуються одна відносно іншої неоднаково, і через це деформація може бути різною: розтягу (розтяг пружини, гумового джгута, струни бандури, хребта та кісток рук гімнаста під час виконання сальто на брусах); стиску (стиск деталей під час пресування, фундаментів і стін будинків, ніжок стільця під час сидіння на ньому, хребта людини та кісток ніг під час ходіння і стояння); згину (згин мостів, якими рухається транспорт, підлоги під час ходіння по ній, хребта людини під час збирання ягід); кручення (шийний відділ хребта при повороті голови, свердло електродрилі, автомобільні осі); зсуву (ножі під час заточування, зубці пили під час розпилювання дерева, тіла під час шліфування їхніх поверхонь, зуби під час жування).

Зсув, кручення, стиск — основні причини порушення постави у дітей та підлітків. Деформація зсуву пояснює небезпеку ходіння жінок на високих підборах (деформується стопа). А розтягування м’язів, зв’язок та сухожиль не тільки спричиняє больові відчуття, а й потребує тривалого лікування.

Сучасна реабілітаційна медицина не могла б існувати без урахування фізичних законів і явищ, а також закономірностей різних видів деформацій.

Розрізняють ще деформації пружні та пластичні.

Якщо після припинення дії зовнішньої сили деформації зникають, то їх називають пружними (мал. 19.1). Приклади: ресори автомобілів під час руху, батут під час стрибків на ньому, струни музичних інструментів під час гри на них.

Мал. 19.1. Стрільба з лука

Якщо після припинення дії зовнішньої сили деформації залишаються, то їх називають пластичними (мал. 19.2). Приклади: тісто під час приготування випічки, глина у процесі виготовлення керамічних виробів, жувальна гумка.

Мал. 19.2. Робота з пластиліном

2. Сила пружності

Унаслідок деформації тіла виникає сила пружності F_пр, яка напрямлена протилежно до зміщення частинок тіла (у бік, протилежний до прикладеної сили F) (мал. 19.3).

У XVII ст. дослідженням процесів, пов’язаних з деформаціями тіл, займався англійський вчений Роберт Гук. Він дійшов висновку, що для малих пружних деформацій сила пружності прямо пропорційна до видовження тіла і має напрям, протилежний до зміщення частинок тіла (закон Гука).

Мал. 19.3. Сила пружності

3. Графік залежності сили пружності від деформації

На прикладі графіка залежності сили пружності від видовження (мал. 19.4) з’ясуємо, яке з двох тіл має більшу пружність.

Мал. 19.4. Графік залежності сили пружності від деформації

За кутом нахилу графіка до осі абсцис можна зробити висновок про пружні властивості речовини. Чим більший кут нахилу графіка, тим більш пружним є тіло. Отже, тіло І має більш пружні властивості.

Поміркуйте і дайте відповідь

Чому на батуті можна, не докладаючи зусиль, високо підстрибнути?

4. Вага та невагомість

Існує ще одна сила, яка виникає через притягання до Землі, внаслідок чого відбувається деформація стиску чи розтягу.

Цю силу називають вагою і її позначають символом Р. Одиницею ваги в системі СІ є ньютон (Н).

Вага тіла — це сила, з якою тіло внаслідок притягання до Землі діє на горизонтальну опору чи вертикальний підвіс:

Р = mg.

За цією формулою можна визначити вагу тіла, коли воно перебуває у стані спокою або рівномірного прямолінійного руху. Звертаємо увагу, що силу тяжіння визначають аналогічно, але вона прикладена до тіла, а вага прикладена до опори (мал. 19.5) або до вертикального підвісу (мал. 19.6).

Мал. 19.5. Яблука на столі

Мал. 19.6. Яблука на гілці

Як ви думаєте: чи може вага того самого тіла змінюватися; чи може тіло не мати ваги? Виявляється, що так! Зміну ваги ви могли відчути під час руху в ліфті. Коли ліфт починає рух угору, вас немовби притискає до підлоги ліфта: ваша вага збільшується. Коли ліфт рушає вниз, то ви ніби піднімаєтеся вгору: ваша вага зменшується. Крім цього, тіло може ще й не мати ваги.

Стан, у якому перебуває тіло, що рухається тільки під дією сили тяжіння, називають невагомістю. У цьому стані вага тіла дорівнює нулю.

У невагомості перебувають астронавти під час дослідження космосу. Невагомість впливає на їхнє самопочуття, тому перед польотом їх тривалий час тренують на спеціальних тренажерах, щоб підготувати організм.

Якщо за звичайних умов не брати до уваги опір повітря, то в стані невагомості буде перебувати спортсмен, який виконує вправи на батуті або стрибає з вишки вниз у воду.

5. Приклад розв’язування задачі

Задача. Визначте масу яблука, якщо його вага дорівнює 1,5 Н.

Запам’ятайте

Деформація — це зміна форми або розмірів тіла під час взаємодії з іншими тілами.

Пружні деформації — це такі деформації, які зникають після припинення дії зовнішньої сили.

Пластичні деформації — це такі деформації, які залишаються після припинення дії зовнішньої сили.

Закон Гука: для малих пружних деформацій сила пружності прямо пропорційна до видовження тіла і має напрям, протилежний до зміщення частинок тіла.

Вага тіла — це сила, з якою тіло внаслідок притягання до Землі діє на горизонтальну опору чи вертикальний підвіс.

Невагомість — це стан, у якому перебуває тіло, що рухається тільки під дією сили тяжіння (вага тіла дорівнює нулю).

Перевірте себе

1. Чому пружину динамометра виготовляють зі сталі, а не з алюмінію або міді?

2. Чи має вагу пташка під час польоту? Чому?

3. До чого прикладена вага мурахи, яка повзе по стежині?

4. Розгляньте графіки (мал. 19.7) залежності сили пружності від деформації двох пружин та визначте, яка з них більш пружна.