Сила пружності - студопедія

Як ми бачили, при деформації тіла виникає сила, електрична за своєю природою, яка повертає тіло в первісний стан.

В уроках "Другий закон Ньютона" і "Вимірювання сил. Динамометр" ми ознайомилися з силами, які виникають при деформації пружини. Ці сили ми назвали силами пружності. Тепер ми можемо сказати, що сила пружності виникає при деформації будь-якого тіла, а не тільки пружини; всяке тіло може грати роль пружини!

Так як сила пружності повертає тіло до первісного стану, то вона спрямована проти напрямку зсуву частинок тіла при деформації. Якщо, наприклад, стрижень, один з кінців якого закріплено (рис. 1), розтягнутий так, що частинки в ньому зміщені щодо закріпленого кінця вправо (рис. 2), то виникає сила пружності, спрямована вліво. Якщо ж стрижень стиснутий, як це показано на малюнку 3, то частки в ньому зміщені вліво, а сила пружності спрямована вправо.

Сила пружності - це сила, що виникає при деформації тіл і спрямована в бік, протилежний напрямку зміщення частинок тіла при деформації.

Надалі ми будемо розглядати сили пружності, що виникають тільки при деформації розтягування або стиснення.

Якби ми провели досвід, описаний в уроці "Вимірювання сил. Динамометр", ні з пружиною, а, наприклад, з якимось стрижнем, то ми змогли б переконатися в тому, що при малих деформаціях стержня (малих в порівнянні з його довжиною ) сила пружності деформованого стрижня, так само як і пружини, пропорційна його подовження. Отже, закон Гука, який виражається формулою. справедливий для будь-якого пружного тіла за умови, що ці деформації досить малі. Деформація x визначає собою взаємне розташування частин деформованого тіла, тобто їх координати. Отже, закон Гука показує, що сила пружності залежить від координат окремих частин деформованого тіла.

Але як виникає сама деформація тіла?

Візьмемо два візки з укріпленими попереду кульками з м'якої гуми (рис. 4). Наведемо візки в рух назустріч один одному так, щоб вони зіткнулися. Коли кульки торкнуться один одного, обидва вони змінять свою форму, деформуються. Одне тимчасово швидкості візків, з якими скріплені кульки, стануть поступово зменшуватися. Зрештою візки на мить зупиняться, а потім почнуть рухатися в протилежних напрямках, тобто знову отримають прискорення. Ясно, що причиною прискорення є сила пружності, що виникає при деформації кульок. З цього досвіду видно, що деформація сталася через те, що кульки вже після зіткнення продовжували ще деякий час рухатися в колишньому напрямі, поки що виникла через деформацію сила пружності не зупинив їх. Після цього деформовані кульки, відновлюючи свою форму, змусили візки рухатися в протилежному напрямку. Але як тільки кульки відновили свою форму, зникла і сила пружності. Можна, отже, сказати, що причиною деформації кульки стало рух однієї його частини щодо іншої, а наслідком деформації - сила пружності.

Якщо ми тепер замінимо гумові кульки сталевими і повторимо досвід, то побачимо, що результат буде зовсім таким же. Візки зіткнуться, на мить зупиняться, а потім стануть рухатися в протилежних напрямках. Але ми тепер не побачимо зміни форми кульок, їх деформації. Це не означає, що деформації немає. Адже візки зі сталевими кульками поводяться абсолютно так само, як і візки з гумовими кульками. Але у сталевих кульок деформації дуже малі, і їх не можна помітити без спеціальних приладів (це означає, що у сталевих кульок жорсткість значно більше, ніж у гумових).

Часто бувають непомітні не тільки деформації, але і ті рухи, через які деформації виникають. Коли ми, наприклад, бачимо що лежить на столі книгу, то, звичайно, не можемо помітити, що і книга, і стіл злегка деформовані. Але саме деформація столу, зовсім непомітна на око, призводить до появи сили пружності, яка спрямована вертикально вгору і врівноважує силу тяжіння книги до Землі. Тому книга і знаходиться в спокої. Коли ми кладемо книгу на стіл, вона під дією тяжіння до Землі починає рухатися вертикально вниз, як будь-яке падаюче тіло. Ось при цьому-то русі книга і зміщує частинки, з яких складається стикається з нею частина столу. Стіл деформується, і виникає сила пружності, якраз дорівнює силі тяжіння книги до Землі, але спрямована вгору.

Те ж можна сказати і про дії підвісу. Коли до вільного кінця шнура AK прикріплюється тіло (рис. 5), то в перший момент воно під дією сили тяжіння до Землі F починає падати вертикально вниз в напрямку стрілки. При цьому разом з тілом переміщається вниз і кінець шнура К. Внаслідок цього шнур подовжується, тобто деформується. Завдяки деформації шпуру з'являється сила пружності Fynp (рис. 6), спрямована вгору. На тіло, отже, діють дві сили, спрямовані протилежно. На початку падіння тіла подовження шнура мало, мала і сила пружності. У міру подальшого переміщення тіла вниз подовження шнура збільшується, одночасно збільшується і сила пружності. Коли підвішений тіло знаходиться в спокої, то це означає, що сила пружності за своїм абсолютним значенням дорівнює силі тяжіння тіла до Землі.

Якщо шнур AK зроблений з м'якої гуми, жорсткість якої мала, то його подовження може бути помічено навіть на око. Але якщо цей шнур є сталевий дріт великий жорсткості, то подовження виявиться настільки малим, що його можна виявити лише спеціальними приладами. Силу пружності, що діє на тіло з боку опори або підвісу, часто називають силою реакції опори або силою реакції підвісу (або натягом підвісу).

У багатьох випадках деформації, що призводять до появи сили пружності, добре помітні. Легко помітити подовження спіральної пружини або гумового шнура. Наведені тут приклади показують, що сила пружності виникає при зіткненні взаємодіючих тіл. Деформуються, зрозуміло, завжди обидва тіла.

Важлива особливість сили пружності полягає в тому, що вона спрямована перпендикулярно поверхні зіткнення взаємодіючих тіл, а якщо у взаємодії беруть участь такі тіла, як стрижні, шнури, спіральні пружини, то сила пружності спрямована уздовж їх осей.