Сила упругости
1. При деформации тела возникает сила
Вы уже знаете, что все тела на поверхности Земли испытывают ее притяжение. На любое тело, находящееся на поверхности Земли или вблизи нее, действует сила тяжести. Снежинка, падающая с неба, движется к Земле. Но упав на крышу, она прекращает свое движение. Значит, что-то мешает снежинке двигаться вниз. Что же мешает снежинке и всей толще снега, находящегося на крыше, двигаться к центру Земли под действием силы тяжести? Ответ: снегу мешает продолжать движение сила, действующая на него со стороны крыши. Эта сила направлена в сторону, противоположную направлению силы тяжести и численно равна ей. Она компенсирует силу тяжести, и снег ведет себя так, как если бы на него не действовали никакие тела. В соответствии с уже знакомым нам законом инерции он находится в состоянии покоя.
Рассмотрим еще один пример компенсации силы тяжести.
Горизонтально расположенная стальная лента закреплена с двух сторон в штативах. Если поставить груз на эту ленту, лента начнет прогибаться по мере движения груза вниз. Лента деформируется. И при определенной величине деформации ленты груз останавливается. Груз движется вниз до тех пор, пока сила, действующая на него со стороны стальной ленты, не уравновесит силу тяжести.
Рис. 1. Изогнутая лента действует на груз силой, которая уравновешивает силу тяжести груза
Сила, возникающая при деформации тела, называется силой упругости.
2. Разновидности деформаций
Деформации различают по характеру изменения формы тела. Это изгиб, растяжение, сжатие, кручение, и др.
Рис. 2. Классификация деформаций по характеру изменения формы тела
Кроме того, деформация делится на два типа – упругую и пластическую.
После упругой деформации тело полностью восстанавливает свою первоначальную форму размеры.
Рис. 3. Пример упругой деформации
После пластической деформации тело полностью сохраняет вновь приобретенную форму и размеры.
Так происходит, например, при лепке из глины или пластилина. Пластическая деформация используется в технике в таких процессах, как ковка и штамповка.
Рис. 4. Пример пластической деформации
3. Причина возникновения силы упругости
Причина возникновения силы упругости – изменение расстояний между молекулами при деформации и, соответственно, изменение сил межмолекулярного взаимодействия.
Если мы растягиваем тело, то расстояние между его молекулами увеличивается, а значит, возрастает сила межмолекулярного притяжения. Если же мы пытается сжать тело, но этим самым мы пытаемся уменьшить расстояние между молекулами, и тогда возрастают силы межмолекулярного отталкивания.
Рис. 5. При растяжении расстояние между молекулами тела увеличивается
Рис. 6. При сжатии расстояние между молекулами тела уменьшается
Деформация тела чаще всего очень мала и непосредственно визуально не заметна. Так, когда тело стоит на опоре (например, на столе), деформация стола не видна, но именно она является причиной того, что тело неподвижно, хотя на него действует сила тяжести.
4. Закон Гука
Гораздо проще исследовать силу упругости, когда деформация хорошо заметна и легко поддается измерению. Так, например, происходит при растяжении пружин. Если к пружине, верхний конец которой закреплен, подвешивать последовательно один, два, три груза, то можно заметить, что деформация пружины увеличивается, а, следовательно, увеличивается и сила упругости.
Английский физик Роберт Гук впервые установил зависимость величины силы упругости от вызвавшей ее появление деформации.
Рис. 7. Роберт Гук (1635–1703)
Гук установил, что между удлинением тела (увеличением его длины l на величину ∆l) и вызванным этим удлинением появлением силы упругости существует простая связь. Здесь греческая буква ∆ (дельта) используется для обозначения изменения величины l.
При малых деформациях сила упругости прямо пропорциональна удлинению тела.
Это утверждение получило название закона Гука. Он справедлив только для упругой деформации. Коэффициент k называется коэффициентом жесткости тела. Он измеряется в Н/м (ньютонах на метр).
Рис. 8. Две пружины с различным коэффициентом жесткости
На рис. 8 изображены две пружины, которые до подвешивания грузов имели одинаковую длину. Но правая пружина под действием грузов удлинилась больше, чем левая под действием таких же грузов. Это означает, что коэффициент жесткости этих пружин различный.
В обеих пружинах сила упругости одинакова. И если правая пружина удлинилась больше левой, то, в соответствии с законом Гука, ее коэффициент жесткости меньше.
Коэффициент жесткости описывает упругие свойства тела. Он зависит от формы и размеров тела, а также от материала, из которого оно изготовлено.
5. Выводы
Мы выяснили, что при внешнем воздействии на тело в нем на межмолекулярном уровне возникают изменения – деформация приводит к изменению расстояния между молекулами. Существуют различные виды деформаций. Сила, которая возникает при деформации, называется силой упругости. При малых деформациях растяжения (сжатия) сила упругости прямо пропорциональна удлинению тела.