Фізика. 7 клас. Шут

Цей підручник можна завантажити у PDF форматі на сайті тут.

§ 21. Деформація. Сила пружності

Сила може привести в рух як тіло в цілому, так і окремі його частини

Внаслідок деформацій деякі тіла можуть руйнуватися

1. Явище деформації. Вам вже відомо, що тіло (або окремі частини тіла) під дією сили набувають швидкості і починають рухатися. Якщо різні частини тіла будуть рухатися по різному, то змінюватимуться його розміри і форма — тіло деформується.

Деформація — це зміна розмірів і форми тіла під дією зовнішніх сил.

Найпростішими є деформації розтягу та стиску.

2. Сила пружності. Виконаємо дослід, в якому будемо здійснювати деформацію пружини під дією гирі (рис. 111). На початку досліду пружина має певну форму (рис. 111, а). У процесі навантаження пружини гирею, її витки починають рухатися по-різному (нижній виток нерухомий, а верхні до нього наближуються), що призводить до ущільнення витків і деформації пружини. Ця деформація здійснюється у напряму дії гирі, тобто вниз. По мірі збільшення деформації пружини, рух гирі вниз поступово сповільнюється і зрештою гиря зупиняється (рис. 111, б). Цілком очевидно, що уповільнення руху і зупинка гирі обумовлені дією пружини. Отже, у процесі деформації в пружині виникає внутрішня сила, яка спрямована вгору і протидіє деформації. Ця сила прикладена до гирі, дія якої деформацію спричинила.

Рис. 111. Дослід з деформацією пружини: а) пружина у недеформованому стані; б) деформація пружини під дією гирі

В деформованому тілі виникає сила, яка має напрям, протилежний до напряму деформації, і прикладена до тіла, що спричинює деформацію

Разом з деформованим тілом деформується підставка (опора), на якій воно лежить, або підвіс, на якому воно висить. Відповідно, в опорі (підвісі) теж виникне сила пружності яка буде діяти на тіло, що спричинило їх деформацію

3. Як виникають сили пружності і яка їх природа? При деформаціях тіл змінюються відстані між частинками (атомами і молекулами), з яких ці тіла складаються. Зміні цих відстаней протидіють сили взаємодії між частинками тіл. Внаслідок цього в деформованому тілі виникають внутрішні сили пружності. Сили пружності за своєю природою — електромагнітні.

Розглянемо ще один приклад виникнення і дії сили пружності. Для цього виконаємо такий дослід (рис. 112). Покладемо на підставки пластмасову лінійку (рис. 112, а) і поставимо на її середину гирю (рис. 112, б). Оскільки на гирю діє сила тяжіння Fтяж, то вона почне рухатися вниз і одночасно у цьому напрямі буде деформувати лінійку. Внаслідок деформації лінійки в ній виникне сила пружності, спрямована вгору (тобто в напрямі, протилежному до деформації). Чим більша деформація лінійки, тим більшою буде сила пружності, що виникає в ній внаслідок цієї деформації. Рух гирі припиниться в той момент, коли сила пружності лінійки (сила реакції опори) зрівняється за величиною із силою тяжіння, що діє на гирю.

На рисунку 112, б показано напрями сил Fтяж і N, які діють на гирю, розміщену на пружній лінійці. Зверніть увагу, що точка прикладання цих сил є спільною, оскільки обидві сили прикладені до одного і того самого тіла — гирі.

При розтягу тіла зовнішній силі протидіють сили міжмолекулярного притягання, а при стисканні тіла — сили міжмолекулярного відштовхування, які при збільшенні деформації зростають

Рис. 112. Виникнення сили пружності при деформації пластмасової лінійки: а) пластмасова лінійка за відсутності деформації; б) деформація лінійки, навантаженої гирею, та сили, що діють на гирю

Якщо сили прикладені до одного й того самого тіла, то за точку прикладання сил обирається геометричний центр тіла. Такий спосіб вибору точки прикладання сили до твердого тіла є загальноприйнятим

4. Види деформацій. Розрізняють два види деформацій — пружну і непружну (пластичну).

Деформація називається пружною, якщо після припинення дії зовнішніх сил повністю відновлюються розміри і форма тіла.

Вище ми розглядали приклади пружних деформацій: пружини (рис. 111, б) і пластмасової лінійки (рис. 112, б).

Деформація називається непружною (пластичною), якщо після припинення дії зовнішніх сил розміри і форма тіла не відновлюються. Внаслідок пластичної деформації тіло набуває нової форми та інших розмірів. Пластичними є глина, пластилін, віск.

Мости, опори, перекриття, канати, деталі машин конструюють та виготовляють таким чином, щоб вони витримували пружні деформації без руйнування і відновлювали початкові розміри і форми. Саме це забезпечує призначення, надійність і цілісність конструкцій. Навпаки, під час механічної обробки матеріалів — штампування, кування тощо — їх піддають пластичній деформації з таким розрахунком, щоб деталь, виготовлена в результаті обробки, набула і зберігала потрібні розміри і форму.

Характер деформації залежить від матеріалу, з якого виготовлене тіло, його конструкції, а також від навантаження на тіло і тривалості дії сили. Наприклад, тривалий розтяг (або стискання) пружини призводять до втрати нею пружних властивостей.

Характер деформації значною мірою залежить від температури. Так, сталь пружна при кімнатній температурі і стає пластичною (ковкою) при високих температурах. Свинець пластичний при кімнатній температурі і стає пружним при низьких температурах (нижче — 100 °С).

Тіла, в яких виникають пружні деформації, називаються пружними

Тіла, в яких виникають пластичні деформації, називаються пластичними

5. Пружність твердих тіл, рідин і газів. У твердих тіл розміри і форма є сталими, оскільки сили міжмолекулярного притягання між їх частинками досить великі. Тому частинки твердого тіла, які змістилися в процесі деформації, після припинення дії зовнішніх сил повертаються у вихідний стан, а розміри і форма тіла відновлюються.

Рідини не мають власної форми, а набувають форму посудини, в якій вони перебувають. Проте зменшення об’єму рідини є незначним. Отже, рідини мають пружність об’єму.

Гази дуже рухомі і не мають пружності по відношенню до зміни їх форми. Пружність газів виявляється при зміні їх об’єму. Чим більше стиснений газ, тим більші сили пружності в ньому виникають.

Відповідно до здатності тіл чинити опір деформаціям, виділяють дві важливі властивості тіл: пружність — відновлення розмірів і форми після припинення дії зовнішніх сил; пластичність — зміна розмірів і форми та їх збереження після припинення дії зовнішніх сил

Подумайте і дайте відповідь

  • 1. Що таке деформація? За яких умов вона виникає?
  • 2. Яку силу називають силою пружності? Як вона позначається? Який напрям має? До якого тіла прикладена сила пружності?
  • 3. Яку силу пружності називають силою реакції опори? Як вона позначається? До якого тіла прикладена сила реакції опори?

Розв’яжіть задачі та оцініть результати

Вправа 21.

  • 1. Як пояснити механізм виникнення сил пружності у деформованому тілі з урахуванням дії сил взаємного притягання та взаємного відштовхування між частинками, з яких складається тіло?
  • 2. Поясніть відмінності у пружних властивостях твердих тіл, рідин і газів.