Фізика. Повторне видання. 7 клас. Засєкіна
§ 11. Досліджуємо пружні властивості тіл
• Чи можна виявити взаємозв'язок між величиною сили і зміною розмірів тіла?
ДОСЛІДЖУЙ
1. У які дві групи можна об’єднати тіла (мал. 11.1) за їхньою властивістю протидіяти прикладеній силі?
Мал. 11.1
2. Деформуй різними способами гумку — розтягуй, стискай, згинай, крути. Це різні види деформацій. Укажи, які види деформації зображено на малюнку (мал. 11.2, а-г).
Мал. 11.2
3. Виконай дослід, як показано на малюнку 11.3, с. 108. Прикріпи один тягарець до динамометра. Унаслідок дії земного тяжіння він рухається вниз і розтягує пружину доти, поки сила тяжіння не врівноважиться силою пружності, що виникає у пружині. Зафіксуй, на скільки видовжилася пружина. Потім прикріпи другий тягарець і теж виміряй видовження. Переконайся, що у скільки разів збільшується прикладена сила, у стільки само разів збільшується й видовження пружини.
Мал. 11.3
ДІЗНАВАЙСЯ
Якими бувають деформації? Взаємодія тіл може зумовлювати не тільки зміну їх швидкостей, а й деформації. Пригадай, що деформація (deformation) — це зміна форми та (або) розмірів тіла. За тим, як саме частини тіла зміщуються одна відносно одної, розрізняють такі види деформації: розтягнення, стиснення, згин, кручення, зсув.
Деформації, які повністю зникають після припинення дії на тіло зовнішніх сил, називають пружними (elastic deformation). Деформації, які зберігаються після припинення дії на тіло зовнішніх сил, називають пластичними (plastic deformation).
Як виникає і як напрямлена сила пружності? Під час деформації завжди виникає сила, що прагне відновити той стан тіла, у якому воно перебувало до деформації. Цю силу називають силою пружності.
Мал. 11.4
Дізнаємося про закон Гука. Для малих пружних деформацій розтягнення (стискання) англійський учений Роберт Гук у 1660 році експериментально встановив закон, який названо його ім’ям.
Сила пружності (elastic force) — сила, яка виникає під час деформації тіла й напрямлена протилежно напрямку зміщення частин цього тіла в ході деформації.
Проаналізуй одержані результати досліду щодо вивчення залежності видовження пружини від величини прикладеної сили. Скористайся позначеннями на малюнку 11.4 і переконайся:
Жорсткість пружини (як і будь-якого деформованого тіла) залежить від форми, розмірів та матеріалу, з якого її виготовлено.
Математично закон Гука записують так: Fпр = -kx, де k — коефіцієнт пружності, або жорсткість;
х = ΔL = |L0 - L| — абсолютна деформація (лінійне видовження чи стиснення тіла). Знак мінус показує, що сила пружності напрямлена в бік, протилежний деформації.
Слід зазначити, якщо раптом надміру розтягнути пружину, то в певний момент вона перестане стискатися після припинення дії сили. Те саме може відбутися з гумовим шнуром — у певний момент він розтягнеться так, що вже більше не повернеться в початковий стан. Інакше кажучи, у кожного пружного тіла існує певна межа пружної деформації. Закон Гука виконується саме в межах пружної деформації.
Графічну залежність сили пружності від видовження тіла зображено на малюнку 11.5.
Мал. 11.5
Тобто що крутіше вгору напрямлений графік, то більша жорсткість тіла й воно сильніше протидіє деформації.
На законі Гука ґрунтується дія приладів для вимірювання сили — динамометрів (або силомірів). Конструкції динамометрів досить різноманітні, але принцип їх роботи однаковий: у них використано властивість тіл подовжуватися, згинатися чи стискатися за пружної деформації прямо пропорційно до величини прикладеної сили.
Ми розглянули випадок із пружиною, бо її деформацію легко спостерігати. Подібно поводять себе будь-які тіла. Тіл, які не деформуються, у природі не існує. Водночас досить часто маємо справу з такими малими деформаціями, що їх важко виявити, адже сили пружності, що виникають під час деформацій тіл, мають електромагнітну природу, оскільки зумовлені зміною відстаней між атомами, йонами чи молекулами.
Силу пружності ми переважно розглядали на прикладі деформації пружини. А як же інші тіла?
• Сили взаємодії між молекулами й атомами мають таку особливість: зі збільшенням відстані між ними вони є силами притягання, а зі зменшенням — силами відштовхування. Цим і зумовлений напрямок сил пружності.
Сили пружності є найбільш поширеними й виникають у разі дотикання всіх тіл між собою, коли їх молекули наближаються на відстань 10-9—10-10м, щоб могли взаємодіяти їх електронні оболонки. Наприклад, якщо наступити на цеглину, то її висота зменшиться приблизно на 0,00005 см. За такої деформації сусідні атоми наближаються один до одного приблизно на 2 • 10-14 см.
Сили пружності оточують тебе майже повсюди. Ти сидиш на стільці, тиснеш на нього, а в ньому виникають сили пружності, що протидіють тисненню. Будь-яке тіло, що стоїть або висить на чомусь чи прикладене до чогось, викликає силу реакції опори (позначають літерою Ν) або силу натягу підвісу — її позначають літерою T (мал. 11.6).
Мал. 11.6
Головною відмінністю сил пружності від інших сил (тяжіння, тертя) є те, що вони залежать лише від деформацій і не залежать від маси тіла, до якого прикладені.
ДУМАЙ
1. Унаслідок чого виникає сила пружності? Яка природа цієї сили?
2. Яку деформацію називають пружною, а яку — пластичною? Назвіть види деформацій.
3. Як формулюється і записується закон Гука? Що означає, знак «-» у формулі?
4. Чи завжди в разі збільшення сили, яка розтягує тіло, у стільки само разів збільшується його деформація?
5. Проаналізуй дані, зображені на графіку (мал. 11.7). Який із матеріалів на малюнку варто обрати для виготовлення бронежилета з найліпшим співвідношенням властивостей легкість / пружність.
Мал. 11.7
6. Попрацюй із додатковими джерелами інформації та дізнайся, які ще відкриття належать Р. Гуку. Чому про нього говорять «забутий геній»?
УЧИСЯ РОЗВ’ЯЗУВАТИ ФІЗИЧНІ ЗАДАЧІ
ЗАДАЧА
Щоб розтягнути пружину на 8 см, потрібно прикласти силу 40 Н. Яку силу треба прикласти, щоб розтягнути ту саму пружину ще на 6 см?
ДІЙ
РОЗВ’ЯЖИ ЗАДАЧІ
1. Під дією якої сили пружина, що має жорсткість 1 кН/м, стиснулася на 4 см?
2. Визнач видовження пружини, якщо на неї діє сила 10 Н, а жорсткість пружини — 500 Н/м.
3. Під дією сили пружності 20 Н видовження пружини дорівнює 6 мм. Яким буде видовження пружини під дією сили 30 Н?
4. Розглянь графік залежності довжини пружини від значення сили, що розтягує пружину. Яка сила пружності виникає в пружині, якщо вона видовжена на 12 см? 17 см?
5. Щоб пружина видовжилася до 15 см, потрібно прикласти силу 45 Н, а до 18 см — 72 Н. Визнач довжину пружини в недеформованому стані.
ВИКОНАЙ ДОСЛІДЖЕННЯ
1. Досліди деформації гумової кульки та алюмінієвого дроту. Перевір, чи зміняться розміри гумової кульки після кількаразового розтягування, алюмінієвого дроту — після кількаразового розгинання.
2. Виготов саморобний динамометр зі смужки цупкого паперу й гумового шнура. Проградуюй його.
ВИКОНАЙ ЛАБОРАТОРНІ РОБОТИ
Виконуй досліди з дотриманням правил безпеки життєдіяльності!
Цей контент створено завдяки Міністерству освіти і науки України