Стаи птиц на ветвях, виноград на кустах и огромные подснежники на еловых лапах — наглядное свидетельство упругих сил природы.
Что такое сила упругости
Сила упругости — это сила, возникающая при деформации тела и противодействующая движению частиц тела во время деформации.
Чтобы лучше понять, что такое сила упругости, рассмотрим наглядный пример из повседневной жизни. Представьте, что перед вами обычная бельевая веревка, на которую вы повесили мокрую одежду. Если вы повесите мокрую одежду горизонтально на хорошо натянутую веревку, вы увидите, как вес одежды начинает провисать и растягивать веревку.
Сначала мы оба вешаем мокрую вещь на веревку и смотрим, как она падает на землю вместе с веревкой, а потом останавливается. Затем мы вешаем следующую вещь и видим, как повторяется то же действие, и веревка висит еще больше.
Вывод: канат деформируется с возрастающей силой до тех пор, пока силы, уравновешивающие деформацию, не сравняются с весом всех предметов. Только тогда движение вниз останавливается.
Следует отметить, что сила упругости служит для сохранения целостности объектов, на которые мы воздействуем, с другими объектами. Если упругие силы не смогут этого сделать, тело необратимо деформируется, т.е. канат может просто оборваться.
В связи с этим возникает риторический вопрос. В какой точке возникает сила упругости? Она возникает, когда вы начинаете развешивать белье, то есть в момент первого воздействия на тело. А когда одежда высыхает и вы ее снимаете, сила упругости исчезает.
Разновидности деформаций
Мы уже знаем, что сила упругости возникает в результате деформации.
Давайте вспомним: что такое деформация? Деформация — это изменение объема или формы тела под воздействием внешних сил.
Причина деформации заключается в том, что различные части тела движутся не одинаково, а по-разному. Если бы тело двигалось таким же образом, оно всегда имело бы свою первоначальную форму и размеры, т.е. не деформировалось бы.
Давайте посмотрим, какую деформацию мы можем там наблюдать.
Типы деформации можно различать в зависимости от типа изменения формы.
Кроме того, деформация подразделяется на два типа. В этом случае деформация может быть как упругой, так и пластической.
Например, если растянуть пружину, а затем отпустить ее, то после этой деформации пружина вернется к своему прежнему размеру и форме. Это пример упругой деформации.
То есть, если мы видим, что деформация полностью исчезает после окончания действия на тело, то деформация является
Степень деформации тела определяет степень его упругости. Следовательно, деформация и сила упругости тесно связаны между собой. Если изменяется одна величина, это означает, что изменяется и другая.
Поэтому, если мы знаем деформацию тела, мы можем вычислить силу упругости, возникшую в теле. И наоборот, если мы знаем силу упругости, мы можем легко определить степень деформации тела.
Например, если взять пружину и подвесить к ней грузы одинаковой массы, мы обнаружим, что пружина растягивается все больше и больше с каждым дополнительным подвешенным грузом. Чем больше деформируется пружина, тем больше становится сила упругости.
И если мы предположим, что гири имеют одинаковую массу и подвешиваются одна за другой, то обнаружим, что длина пружины увеличивается на одну и ту же величину при каждом новом подвешивании.
Сила упругости и закон Гука
Чтобы найти зависимость между силой упругости и деформацией упругого тела, мы должны воспользоваться формулой, открытой известным английским ученым Робертом Гуком.
Ученый установил простую зависимость между увеличением длины тела и силой упругости, вызванной этим растяжением.
В этой формуле дельта обозначает изменение размера.
Закон Гука гласит, что при малых деформациях сила упругости прямо пропорциональна удлинению тела.
Другими словами, чем больше напряжение, тем большую силу упругости мы можем наблюдать.
Однако следует также отметить, что закон Гука действует только при упругой деформации.
Упругая сила возникает при деформации тел, например, при растяжении или сжатии пружины. Деформация — это изменение формы и размера тела.
Когда деформация тела исчезает, исчезает и сила упругости.
Упругие силы обусловлены притягательными и отталкивающими силами между частицами (молекулами или атомами), из которых состоят все тела. Если расстояние между частицами немного увеличивается, силы взаимодействия становятся силами притяжения между ними. Если расстояние между частицами немного уменьшается, эти силы становятся отталкивающими. Сила упругости, действующая на тело, связана с деформацией тела следующим образом:
Где F gauge — модуль упругости силы, x — удлинение тела (расстояние, на которое изменяется первоначальная длина тела), k — коэффициент пропорциональности, называемый жесткостью пружины, измеряемый в Н/м. Эта формула для упругости служит выражением закона Гука. Определение закона Гука гласит: сила упругости, возникающая при деформации тела, пропорциональна удлинению тела и направлена в сторону, противоположную направлению движения частиц тела относительно других частиц во время деформации.
Общая характеристика силы упругости
Прямая пропорциональная зависимость между силой упругости и деформацией используется в динамометрах — устройствах для измерения силы. Упругие силы действуют в технике и в природе: в часах, в амортизаторах на дорогах, в тросах и канатах, в костях и мышцах человека.
Упругие силы включают силу реакции опоры и вес тела. Сила реакции (N) на стороне опоры тела возникает, когда тело помещается на поверхность (опору).
Если тело подвешено на нити, эта же сила называется силой натяжения нити (T).
Сила упругости обладает определенными свойствами:
Вес тела (P) — это сила, с которой тело действует на горизонтальную опору или вертикальный подвес вследствие его притяжения Землей.
Свойства силы упругости
Вес тела обозначается P и измеряется в Ньютонах.
Если опора тела горизонтальна и неподвижна, то вес этого тела численно равен силе тяжести, действующей на это тело, и равен P=mg
Если тело движется вверх с ускорением a, то его масса больше массы тела, находящегося в покое, и равна $P=(g+a)m$.
- возникают при деформации
- возникают одновременно у двух тел
- перпендикулярны поверхности
- противоположны по направлению смещению.
А если тело движется вниз с ускорением a, то его вес равен $P = (g-a)m$.
Когда ускорение тела и ускорение свободного падения равны, вес тела равен нулю. Это состояние невесомости.
Рассмотрим следующий случай (рис. 2). Подвесьте тело на нитке.
В таких конструкциях нить часто называют плечиками. Когда мы подвешиваем тело, струна начинает растягиваться — в ней возникает сила упругости.
Чем больше натянута струна, тем больше становится сила упругости. Как и в случае с растяжением, растяжение прекращается, как только сила упругости становится равной силе тяжести.
Когда возникает сила упругости? Оказывается, сила упругости возникает при деформации тел. Когда деформация исчезает, исчезает и сила упругости.
Деформация и ее виды
Как называется деформация тела?
Деформация тела — это любое изменение его формы и размера.
Какие виды деформации вы знаете? Иногда деформируемое тело после этих взаимодействий изменяет свою форму и размеры — происходит неупругая (пластическая) деформация. А иногда она возвращается в свое первоначальное состояние. Тогда деформация называется упругой (рис. 3).
Упругая деформация — это такая деформация, при которой тело полностью восстанавливает свою форму и объем после прекращения действия деформирующей силы.
Пластическая деформация — это деформация, которая сохраняется после прекращения действия деформирующей силы.
Существуют различные типы упругой деформации:
1. игра на гитаре — растягивание струн на короткое время.
2. садиться в автомобиль — сжимать пружины подвески.
3. сидя на тонкой доске — доска прогибается.
4. затяните винт — отвертка выкручивается (хотя вы не видите, что отвертка деформируется).
- Сдвига (при такой деформации нагрузка прикладывается параллельно основанию тела, и одна часть тела сдвигается относительно другой (рисунок 5));
Примеры деформации разных видов
5. перемещение неустойчивого стула — сиденье перемещается относительно пола.
Рассмотрим эксперимент, показанный на рисунке 9.
У нас есть штатив, к которому мы прикрепим резиновый шнур. Измерьте его длину и обозначьте ее как $l_0$.
Затем подвесьте на нитку чашку с грузом. Строка удлинится. Снова измерьте длину — теперь она равна $l$.
После наших действий шнур изменил свою длину. Мы можем найти это изменение (растяжение шнура) по формуле. Символ $\Delta$ (греческая буква «дельта») используется для обозначения изменения между значениями величины.
Если вы меняете грузы в чашке, то меняется длина струны, т.е. ее удлинение (деформация)$\Delta l$.
Исходя из
