Сила пружності і її робота при деформації на прикладі пружини

Продовжуємо огляд деяких тими з розділу «Механіка». Наша сьогоднішня зустріч присвячена силі пружності.

Саме ця сила лежить в основі роботи механічних годинників, її впливу піддаються буксирні троси та канати підйомних кранів, амортизатори автомобілів і залізничних складів. Її відчуває м'яч і тенісну кульку, ракетка та інший спортивний інвентар. Як виникає ця сила, і яким закономірностям підпорядковується?

Як народжується сила пружності

Метеорит під дією земного тяжіння падає на землю і ... завмирає. Чому? Хіба земне тяжіння зникає? Ні. Сила не може зникнути просто так. У момент зіткнення із землею сила тяжіння врівноважується іншою силою рівною їй за величиною і протилежною за напрямком. І метеорит, як і інші тіла на поверхні землі, залишається в спокої.

Цією врівноважує силою є сила пружності.

Такі ж пружні сили виникають в тілі при всіх видах деформації:

Сили, що виникають в результаті деформації, називаються пружними.

Природа сили пружності

Механізм виникнення сил пружності вдалося пояснити лише в XX столітті, коли була встановлена ​​природа сил міжмолекулярної взаємодії. Фізики назвали їх «гігантом з короткими руками». Який сенс цього дотепного порівняння?

Між молекулами і атомами речовини діють сили тяжіння і відштовхування. Така взаємодія обумовлено, що входять до їх складу найдрібніших частинок, що несуть позитивні і негативні заряди. Сили ці досить великі (звідси слово гігант), але проявляються лише на дуже малих відстанях (з короткими руками). При відстанях рівних потроєному діаметру молекули, ці частинки притягуються, «радісно» прямуючи, один до одного.

Але, зіткнувшись, починають активно відштовхуватися один від одного.

При деформації розтягування відстань між молекулами зростає. Міжмолекулярні сили прагнуть його скоротити. При стисненні молекули зближуються, що породжує відштовхування молекул.

А, оскільки всі види деформацій можна звести до стиснення і розтягування, то поява пружних сил при будь-яких деформаціях можна пояснити цими міркуваннями.

Закон, встановлений Гуком

Вивченням сил пружності і їх взаємозв'язком з іншими фізичними величинами займався співвітчизник і сучасник Ньютона відомий натураліст Роберт Гук. Його вважають основоположником експериментальної фізики.

Вчений продовжував свої експерименти близько 20 років. Він проводив досліди по деформації розтягування пружин, підвішуючи до них різні вантажі. Підвішується вантаж викликав розтягнення пружини до тих пір, поки що виникла в неї сила пружності врівноважується вага вантажу.

В результаті численних експериментів вчений робить висновок: прикладена зовнішня сила викликає виникнення рівної їй по величині силі пружності, що діє в протилежному напрямку.

Сформульований ним закон (закон Гука) звучить так:

Сила пружності, що виникає при деформації тіла, прямо пропорційна величині деформації і спрямована в бік, протилежний переміщенню частинок.

Формула закону Гука має вигляд:

• F - модуль, т. Е. Чисельна значення сили пружності;
• х - зміна довжини тіла;
• k - коефіцієнт жорсткості, що залежить від форми, розмірів і матеріалу тіла.

Знак мінус вказує те, що сила пружності спрямована в бік, протилежний зміщенню частинок.

Кожен фізичний закон має свої межі застосування. Закон, встановлений Гуком можна застосовувати тільки до пружних деформацій, коли після зняття навантаження форма і розміри тіла повністю відновлюються.

У пластичних тел (пластилін, волога глина) такого відновлення не відбувається.

Пружністю в тій чи іншій мірі володіють всі тверді тіла. Перше місце по пружності займає гума, друге - сталь. Навіть дуже пружні матеріали при певних навантаженнях можуть проявляти пластичні властивості. Це використовують для виготовлення дроту, вирізання спеціальними штампами деталей складної форми.

Якщо у вас є ручні кухонні ваги (безмін), то на них напевно написаний максимальна вага, на який вони розраховані. Скажімо 2 кг. В разі кріплення більш важкого вантажу, що знаходиться в них сталева пружина вже ніколи не відновить свою форму.

Робота сили пружності

Як і будь-яка сила, сила пружності, здатна здійснювати роботу. Причому дуже корисну. Вона оберігає деформується тіло від руйнування. Якщо вона з цим не справляється, настає руйнування тіла. Наприклад, розривається трос підйомного крана, струна на гітарі, гумка на рогатці, пружина на вагах. Ця робота завжди має знак мінус, оскільки сама сила пружності теж негативна.

замість післямови

Озброївшись деякими відомостями про силах пружності і деформаціях, ми легко відповімо на деякі запитання. Скажімо, чому великі кістки у людини мають трубчасту будову?

Зігніть металеву або дерев'яну лінійку. Її опукла частина зазнає деформацію розтягування, а увігнута - стиснення. Середня ж частина навантаження не несе. Природа і скористалася цією обставиною, забезпечивши людини і тварин трубчастими кістками. У процесі руху кістки, м'язи і сухожилля відчувають всі види деформацій. Трубчасті будову кісток значно полегшує їх вага, абсолютно не впливаючи на їх міцність.

Стебла злакових культур мають таку саму будову. Пориви вітру пригинають їх до землі, а сили пружності допомагають випрямитися. До речі, рама у велосипеда теж виготовляється з трубок, а не зі стрижнів: вага набагато менше і метал економиться.

Закон, встановлений Робертом Гуком, послужив основою для створення теорії пружності. Розрахунки, виконані за формулами цієї теорії, дозволяють забезпечити довговічність висотних споруд та інших конструкцій.

Якщо це повідомлення тобі знадобилося, буда рада бачити тебе в групі ВКонтакте. А ще - спасибі, якщо ти натиснеш на одну з кнопочок «лайків»: