Što znači sila elastičnosti. Elastična sila. Cijele lekcije - Hipermarket znanja. Elastična sila koja proizlazi iz deformacije tijela proporcionalna je po modulu produljenju tijela i usmjerena je tako da nastoji smanjiti količinu deformacije tijela.

Deformacija (od lat. Deformatio - iskrivljenje) - promjena oblika i veličine tijela pod utjecajem vanjskih sila.

Deformiteti nastaju jer se različiti dijelovi tijela različito kreću. Kada bi se svi dijelovi tijela gibali na isti način, tada bi tijelo uvijek zadržalo svoj prvobitni oblik i dimenzije, tj. bi ostao neiskrivljen. Pogledajmo nekoliko primjera.

Vrste deformacija

Vlačne i tlačne deformacije. Djeluje li sila na jednoliku šipku učvršćenu na jednom kraju F duž svoje osi u smjeru od šipke, tada će se deformirati uganuća. Vlačne deformacije doživljavaju kabeli, užad, lanci u uređajima za podizanje, spone između automobila itd. Ako se sila primijeni na fiksirani štap duž njegove osi prema štapu, tada će se podvrgnuti kompresija. Deformaciju tlačenja doživljavaju stupovi, stupovi, zidovi, temelji zgrada itd. Kada se rasteže ili stisne, područje se mijenja poprečni presjek tijelo.

Posmična deformacija. Posmična deformacija može se jasno prikazati na modelu čvrstog tijela, koje je niz paralelnih ploča međusobno povezanih oprugama (slika 3). Horizontalna sila F pomiče ploče jednu u odnosu na drugu bez promjene volumena tijela. U pravim čvrstim tijelima, volumen se također ne mijenja tijekom deformacije smicanja. Posmičnoj deformaciji podliježu zakovice i vijci koji pričvršćuju dijelove nosača mosta, grede na osloncima i sl. Smicanje pod velikim kutovima može dovesti do razaranja tijela - posmicanja. Smicanje se događa tijekom rada škara, dlijeta, dlijeta, zubaca pile itd.

deformacija savijanja. Čelično ili drveno ravnalo lako je saviti rukama ili nekom drugom silom. Grede i šipke smještene vodoravno padaju pod djelovanjem gravitacije ili opterećenja - podvrgnute su deformaciji savijanja. Deformacija savijanjem može se svesti na nejednoliku vlačnu i tlačnu deformaciju. Doista, na konveksnoj strani (slika 4) materijal je podvrgnut napetosti, a na konkavnoj strani pritisku. Štoviše, što je razmatrani sloj bliži srednjem sloju KN, napetost i kompresija postaju manji. Sloj KN, koji nije pod napetosti ili kompresijom, naziva se neutralnim. Budući da slojevi AB I CD tada su podložne najvećoj napetosti i kompresiji najveća snaga elastičnost (na slici 4. elastične sile prikazane su strelicama). Od vanjskog sloja prema neutralnom, te se sile smanjuju. Unutarnji sloj ne doživljava primjetne deformacije i ne podnosi vanjske sile, te je stoga suvišan u dizajnu. Obično se uklanja, zamjenjujući šipke cijevima, a šipke T-gredama (slika 5). Sama priroda je u procesu evolucije čovjeka i životinje obdarila cjevastim kostima udova i učinila stabljike žitarica cjevastima, kombinirajući ekonomičnost materijala sa snagom i preciznošću "struktura".

Torzijska deformacija. Ako na štap, čiji je jedan kraj fiksiran (slika 6), djeluje par sila koje leže u ravnini presjeka štapa, tada se on uvija. Postoji, kako kažu, torzijska deformacija.

Svaki presjek je zakrenut u odnosu na drugi oko osi štapa za neki kut. Udaljenost između odjeljaka se ne mijenja. Dakle, iskustvo pokazuje da se u torziji štap može predstaviti kao sustav krutih kružnica sa središtem na zajedničkoj osi. Ovi krugovi (točnije, dijelovi) se okreću za raznih kutova ovisno o njihovoj udaljenosti od fiksnog kraja. Slojevi se okreću, ali pod različitim kutovima. Međutim, u ovom slučaju, susjedni slojevi rotiraju jedan u odnosu na drugi na isti način duž cijele šipke. Torzijska deformacija može se smatrati nejednolikim smicanjem. Posmična nehomogenost se izražava u tome što se posmična deformacija mijenja duž polumjera štapa. Na osi nema deformacije, a najveća je na periferiji. Na kraju štapa koji je najudaljeniji od fiksnog kraja, kut rotacije je najveći. Naziva se kutom uvijanja. Torziju doživljavaju osovine svih strojeva, vijci, odvijači itd.

Glavne deformacije su vlačne (tlačne) i posmične deformacije. Kod deformacije savijanjem dolazi do nehomogenog zatezanja i tlačenja, a kod torzione deformacije do nehomogenog smika.

Sile elastičnosti.

Kada se čvrsto tijelo deformira, njegove čestice (atomi, molekule, ioni) koje se nalaze u čvorovima kristalne rešetke pomiču se iz svojih ravnotežnih položaja. Ovom pomaku suprotstavljaju se sile međudjelovanja između čestica čvrstog tijela, koje te čestice drže na određenoj udaljenosti jedna od druge. Stoga, kod bilo koje vrste elastične deformacije, u tijelu nastaju unutarnje sile koje sprječavaju njegovu deformaciju.

Sile koje nastaju u tijelu tijekom njegove elastične deformacije i usmjerene suprotno smjeru pomaka čestica tijela izazvanih deformacijom nazivaju se elastične sile.

Elastične sile sprječavaju promjene veličine i oblika tijela. Elastične sile djeluju u bilo kojem dijelu deformiranog tijela, kao iu mjestu njegovog dodira s tijelom uzrokujući deformaciju. Na primjer, sa strane elastično deformirane ploče D na šanku S ležeći na njemu djeluje sila elastičnosti F kontrola (slika 7).

Važna značajka elastične sile je da je usmjerena okomito na dodirnu površinu tijela, a ako govorimo o takvim tijelima kao što su deformirane opruge, stisnute ili istegnute šipke, užad, niti, tada je elastična sila usmjerena duž njihovih sjekire. Kod jednostranog zatezanja ili stiskanja, elastična sila je usmjerena duž ravne crte duž koje djeluje vanjska sila koja uzrokuje deformaciju tijela, suprotno od smjera te sile i okomito na površinu tijela.

Sila koja djeluje na tijelo sa strane oslonca ili ovjesa naziva se sila reakcije potpore ili sila napetosti ovjesa . Na slici 8 prikazani su primjeri djelovanja sila reakcije oslonca na tijela (sile N 1 , N 2 , N 3 , N 4 i N 5) i sile zatezanja ovjesa (sile T 1 , T 2 , T 3 i T 4).

Apsolutno i relativno produljenje

Linearna deformacija(tensile strain) je deformacija kod koje samo jedan linearna dimenzija tijelo.

Kvantificira se apsolutni Δ l I relativna ε istezanje.

\(~\Delta l = |l - l_0|\) ,

gdje je ∆ l– apsolutno istezanje (m); l I l 0 – konačna i početna duljina tijela (m).

• Ako je tijelo rastegnuto, onda l > l 0 i ∆ l = l – l 0 ;
• ako je tijelo stisnuto, onda l < l 0 i ∆ l = –(l – l 0) = l 0 – l(slika 9).

\(~\varepsilon = \frac(\Delta l)(l_0)\) ili \(~\varepsilon = \frac(\Delta l)(l_0) \cdot 100%\) ,

Gdje ε – relativno izduženje tijela (%); Δ l– apsolutno izduženje tijela (m); l 0 – početna duljina tijela (m).

Hookeov zakon

Odnos između elastične sile i elastične deformacije tijela (za male deformacije) eksperimentalno je utvrdio Newtonov suvremenik, engleski fizičar Hooke. Matematički izraz Hookeovog zakona za deformaciju jednostrane napetosti (kompresije) ima oblik

\(~F_(ynp) = k \cdot \Delta l\) , (1)

Gdje F upr - modul elastične sile koja se javlja u tijelu pri deformaciji (N); Δ l je apsolutno izduženje tijela (m).

Koeficijent k nazvao krutost tijela je koeficijent proporcionalnosti između deformirajuće sile i deformacije u Hookeovom zakonu.

Stopa opruge je brojčano jednaka sili koja se mora primijeniti na elastično deformabilni uzorak da bi izazvala njegovu jediničnu deformaciju.

U SI sustavu krutost se mjeri u njutnima po metru (N/m):

\(~[k] = \frac()([\Delta l])\) .

Koeficijent krutosti ovisi o obliku i dimenzijama tijela, kao io materijalu.

Hookeov zakon za jednostranu napetost (kompresiju) formulirati kako slijedi:

elastična sila koja se javlja pri deformaciji tijela proporcionalna je produljenju tog tijela.

mehaničko naprezanje.

Stanje elastično deformiranog tijela karakterizira količina σ nazvao mehaničko naprezanje.

Mehanički stres σ jednaka omjeru modula elastičnosti F ex na površinu poprečnog presjeka tijela S:

\(~\sigma = \frac(F_(ynp))(S)\) .

Mehanička napetost se mjeri u Pa: [ σ ] \u003d N / m 2 \u003d Pa.

Promatranja pokazuju da kod malih deformacija mehaničko naprezanje σ proporcionalno je relativnom izduženju ε:

\(~\sigma = E \cdot |\varepsilon|\) . (2)

Ova formula je jedan od načina pisanja Hookeovog zakona za jednostrano rastezanje (kompresiju). U ovoj formuli, elongacija se uzima modulo, budući da može biti i pozitivna i negativna.

Faktor proporcionalnosti E u Hookeovom zakonu naziva se modul elastičnosti (Youngov modul). Eksperimentalno je utvrđeno da

Youngov modul brojčano jednak takvom mehaničkom naprezanju koje je trebalo nastati u tijelu s povećanjem njegove duljine za 2 puta.

Dokažimo to: iz Hookeovog zakona dobivamo da \(~E = \frac(\sigma)(\varepsilon)\) . Ako je Youngov modul E brojčano jednaka mehaničkom naprezanju σ , tada \(~\varepsilon = \frac(\Delta l)(l_0) = 1\) . Tada je \(~\Delta l = l - l_0 = l_0 ; l = 2 l_0\) .

Youngov modul se mjeri u Pa: [ E] = Pa/1 = Pa.

Praktično bilo koje tijelo (osim gume) pod elastičnom deformacijom ne može udvostručiti svoju duljinu: slomit će se mnogo ranije. Što je modul elastičnosti veći E, manje je štap deformiran, ako su sve ostale stvari jednake ( l 0 , S, F). Tako, Youngov modul karakterizira otpornost materijala na elastičnu deformaciju pri zatezanju ili sabijanju.

Hookeov zakon, zapisan u obliku (2), lako se može svesti na oblik (1). Doista, zamjenom u (2) \(~\sigma = \frac(F_(ynp))(S)\) i \(~\varepsilon = \frac(\Delta l)(l_0)\), dobivamo:

\(~\frac(F_(ynp))(S) = E \cdot \frac(\Delta l)(l_0)\) ili \(~F_(ynp) = \frac(E \cdot S)(l_0) \cdot \Delta l\),

gdje je \(~\frac(E \cdot S)(l_0) = k\) .

Stretch Chart

Za proučavanje vlačne deformacije, šipka izrađena od materijala koji se proučava podvrgava se napetosti pomoću posebnih uređaja (na primjer, pomoću hidrauličke preše), te se mjeri produljenje uzorka i naprezanje koje nastaje u njemu. Prema rezultatima pokusa crta se graf ovisnosti napona σ od elongacije ε . Ovaj graf se naziva dijagram istezanja (slika 10).

Brojni pokusi pokazuju da kod malih naprezanja stres σ izravno proporcionalno produljenju ε (zemljište OA dijagrami) - Hookeov zakon je zadovoljen.

Pokus pokazuje da male deformacije potpuno nestaju nakon uklanjanja opterećenja (uočava se elastična deformacija). Za male deformacije Hookeov zakon je zadovoljen. Maksimalni napon pri kojem još uvijek vrijedi Hookeov zakon naziva se granica proporcionalnostiσ str. Odgovara točki A dijagrami.

Ako nastavite povećavati vlačno opterećenje i prekoračite proporcionalnu granicu, tada deformacija postaje nelinearna (linija ABCDEK). Ipak, kod malih nelinearnih deformacija, nakon uklanjanja opterećenja, oblik i dimenzije tijela se praktički vraćaju (odjeljak AB grafička umjetnost). Naziva se maksimalno naprezanje pri kojem nema zamjetnih zaostalih deformacija granica elastičnostiσ paket. Odgovara točki U dijagrami. Granica elastičnosti premašuje proporcionalnu granicu za najviše 0,33%. U većini slučajeva mogu se smatrati jednakima.

Ako vanjsko opterećenje je takva da u tijelu nastaju naprezanja koja prelaze granicu elastičnosti, tada se priroda deformacije mijenja (odjeljak BCDEK). Nakon uklanjanja opterećenja uzorak se ne vraća na prijašnje dimenzije, već ostaje deformiran, iako s manjim istezanjem nego pod opterećenjem (plastična deformacija).

Izvan granice elastičnosti pri određenoj vrijednosti naprezanja koja odgovara točki S dijagramima, rastezanje se povećava gotovo bez povećanja opterećenja (odjeljak CD dijagrami su gotovo vodoravni). Ova pojava se zove protok materijala.

S daljnjim povećanjem opterećenja, napon raste (od točke D), nakon čega se pojavljuje suženje (“vrat”) u najmanje izdržljivom dijelu uzorka. Zbog smanjenja površine poprečnog presjeka (točka E) za daljnje istezanje potrebno je manje naprezanje, ali na kraju dolazi do razaranja uzorka (točka DO). Maksimalno naprezanje koje uzorak može izdržati bez loma naziva se vlačna čvrstoća . Označimo to σ pch (odgovara točki E dijagrami). Njegova vrijednost uvelike ovisi o prirodi materijala i njegovoj obradi.

Kako bi se mogućnost sloma konstrukcije svela na najmanju moguću mjeru, inženjer mora pri proračunu dopustiti takva naprezanja u svojim elementima koja će biti samo dio vlačne čvrstoće materijala. Nazivaju se dopuštenim naprezanjima. Naziva se broj koji pokazuje koliko je puta vlačna čvrstoća veća od dopuštenog naprezanja faktor sigurnosti. Označavajući granicu sigurnosti kroz n, dobivamo:

\(~n = \frac(\sigma_(np))(\sigma)\) .

Granica sigurnosti odabire se ovisno o mnogim razlozima: kvaliteti materijala, prirodi opterećenja (statično ili promjenjivo tijekom vremena), stupnju opasnosti koja proizlazi iz uništenja itd. U praksi se granica sigurnosti kreće od 1,7 do 10. Odabirom ispravne granice sigurnosti inženjer može odrediti dopušteno naprezanje u konstrukciji.

Plastičnost i lomljivost

Tijelo od bilo kojeg materijala s malim deformacijama ponaša se kao elastično. Istodobno, gotovo sva tijela mogu u određenoj mjeri doživjeti plastične deformacije. Postoje krhka tijela.

Mehanička svojstva materijala su različita. Materijali poput gume ili čelika pokazuju elastična svojstva do relativno velikih naprezanja i deformacija. Za čelik, na primjer, vrijedi Hookeov zakon ε = 1%, a za gumu - do mnogo više ε , reda veličine desetaka postotaka. Stoga se ti materijali nazivaju elastičan.

U mokroj glini, plastelinu ili olovu područje elastične deformacije je malo. Nazivaju se materijali kod kojih mala opterećenja uzrokuju plastičnu deformaciju plastični.

Podjela materijala na elastične i plastične uvelike je uvjetna. Ovisno o naprezanjima koja nastaju, isti će se materijal ponašati ili kao elastičan ili kao plastičan. Dakle, pri vrlo visokim naprezanjima, čelik pokazuje duktilna svojstva. Ovo se široko koristi u štancanju čeličnih proizvoda pomoću preša koje stvaraju veliko opterećenje.

Hladan čelik ili željezo teško je kovati čekićem. Ali nakon jakog zagrijavanja, lako im je dati bilo koji oblik kovanjem. Plastično na sobnoj temperaturi, olovo dobiva izražena elastična svojstva ako se ohladi na temperaturu ispod -100 °C.

Od velike važnosti u praksi je svojstvo čvrstih tijela, tzv krhkost. Tijelo se zove lomljiv, ako se sruši pod malim deformacijama. Stakleni i porculanski proizvodi su lomljivi: raspadaju se na komade kada padnu na pod, čak i s male visine. Lijevano željezo, mramor, jantar također imaju povećanu krhkost. Naprotiv, čelik, bakar, olovo nisu krti.

Posebnosti krhkih tijela najlakše se razumiju pomoću ovisnosti σ iz ε kada se rasteže. Slika 11, a, b prikazuje vlačne dijagrame lijevanog željeza i čelika. Oni pokazuju da kada se lijevano željezo rasteže za samo 0,1%, u njemu nastaje naprezanje od oko 80 MPa, dok je u čeliku samo 20 MPa pri istoj deformaciji.

Lijevano željezo se odmah uništava pri istezanju od 0,45%, gotovo bez preliminarnih plastičnih deformacija. Vlačna čvrstoća mu je 1,2∙108 Pa. Kod čelika kod ε = 0,45% deformacija je još uvijek elastična i dolazi do sloma ε ≈ 15%. Vlačna čvrstoća čelika je 700 MPa.

U svim krhkim materijalima naprezanje raste vrlo brzo s istezanjem, a oni popuštaju pri vrlo malim deformacijama. Plastična svojstva krhkih materijala praktički se ne manifestiraju.

Književnost

1. Kabardin O.F. Fizika: Up. materijali: Proc. dodatak za studente. - M.: Prosvjetljenje, 1991. - 367 str.
2. Kikoin I.K., Kikoin A.K. Fizika: Zbornik radova. za 9 ćelija. prosj. škola - M .: Pro-sveshchenie, 1992. - 191 str.
3. Fizika: Mehanika. 10. razred: Proc. za produbljeni studij fizike / M.M. Balashov, A.I. Gomonova, A.B. Dolitsky i drugi; ur. G.Ya. Myakishev. – M.: Bustard, 2002. – 496 str.
4. Osnovni udžbenik fizike: Zbornik. džeparac. U 3 sveska / Ed. G.S. Landsberg: v. 1. Mehanika. Toplina. Molekularna fizika. - M.: Fiz-matlit, 2004. - 608 str.
5. Yavorsky B.M., Seleznev Yu.A. Referentni vodič za fiziku za kandidate za sveučilišta i samoobrazovanje. – M.: Nauka, 1983. – 383 str.

Sastavljači

Vankovich E. (11 "A" MGOL br. 1), Shkrabov A. (11 "B" MGOL br. 1).

Kao što smo vidjeli, kada se tijelo deformira, javlja se sila, električne prirode, koja vraća tijelo u prvobitno stanje.

U lekcijama "Drugi Newtonov zakon" i "Mjerenje sila. Dinamometar" upoznali smo se sa silama koje nastaju pri deformaciji opruge. Te se sile nazivaju elastičnim silama. Sada možemo reći da elastična sila nastaje kada se bilo koje tijelo deformira, a ne samo opruga; svako tijelo može igrati ulogu opruge!

Budući da elastična sila vraća tijelo u prvobitno stanje, ona je usmjerena suprotno od smjera pomaka čestica tijela tijekom deformacije. Ako se, na primjer, štap, čiji je jedan kraj fiksiran (slika 1), rastegne tako da su čestice u njemu pomaknute u odnosu na fiksirani kraj udesno (slika 2), tada postoji elastična sila usmjerena ulijevo. Ako je štap stlačen, kao što je prikazano na slici 3, tada se čestice u njemu pomiču ulijevo, a elastična sila je usmjerena udesno.

Elastična sila je sila koja nastaje pri deformaciji tijela i usmjerena je u smjeru suprotnom od smjera pomaka čestica tijela pri deformaciji.

U nastavku ćemo razmotriti elastične sile koje nastaju samo pri vlačnoj ili tlačnoj deformaciji.

Kad bismo pokus opisan u lekciji "Mjerenje sila. Dinamometar" izveli ne s oprugom, nego npr. s nekom vrstom štapa, tada bismo se mogli uvjeriti da s malim deformacijama štapa (malim u usporedbi s njegova duljina ) elastična sila deformiranog štapa, kao i opruge, proporcionalna je njegovom produljenju. Prema tome, Hookeov zakon, izražen formulom, vrijedi za svako elastično tijelo, pod uvjetom da su te deformacije dovoljno male. Deformacija x definira međusobni dogovor dijelova deformiranog tijela, odnosno njihove koordinate. Stoga Hookeov zakon pokazuje da elastična sila ovisi o koordinatama pojedinih dijelova deformiranog tijela.

Ali kako nastaje deformacija samog tijela?

Uzmimo dva kolica s mekim gumenim loptama pričvršćenim ispred (slika 4). Pomaknimo kolica jedna prema drugima tako da se sudare. Kada se kuglice dodirnu, obje će promijeniti svoj oblik, deformirati se. Istodobno će se postupno smanjivati ​​brzine kolica kojima se pričvršćuju kuglice. Na kraju će se kolica na trenutak zaustaviti, a potom krenuti u suprotnim smjerovima, odnosno ponovno će dobiti ubrzanja. Jasno je da je razlog ubrzanja elastična sila koja nastaje pri deformaciji kuglica. Iz ovog pokusa vidljivo je da je do deformacije došlo zbog toga što su se kuglice nakon kontakta neko vrijeme nastavile kretati u istom smjeru, sve dok ih elastična sila koja je nastala zbog deformacije nije zaustavila. Nakon toga su deformirane kuglice, vraćajući svoj oblik, prisilile kolica da se kreću u suprotnom smjeru. Ali čim su kuglice povratile svoj oblik, nestala je i elastična sila. Može se, dakle, reći da je uzrok deformacije lopte bilo gibanje jednog njezinog dijela u odnosu na drugi, a rezultat deformacije bila je elastična sila.

Ako sada gumene kuglice zamijenimo čeličnima i ponovimo pokus, vidjet ćemo da će rezultat biti potpuno isti. Kolica se sudaraju, na trenutak zastanu, a zatim krenu u suprotnim smjerovima. Ali sada nećemo vidjeti promjenu oblika kuglica, njihovu deformaciju. To ne znači da nema deformacije. Uostalom, kolica s čeličnim kuglicama ponašaju se na potpuno isti način kao i kolica s gumenim kuglicama. Ali kod čeličnih kuglica deformacije su vrlo male i ne mogu se primijetiti bez posebnih instrumenata (to znači da čelične kuglice imaju mnogo veću krutost od gumenih).

Često nisu vidljive samo deformacije, već i oni pokreti zbog kojih nastaju deformacije. Kada vidimo, na primjer, knjigu kako leži na stolu, ne možemo, naravno, primijetiti da su i knjiga i stol malo deformirani. Ali upravo deformacija stola, oku potpuno nevidljiva, dovodi do pojave elastične sile koja je usmjerena okomito prema gore i uravnotežuje silu privlačenja knjige prema Zemlji. Stoga knjiga miruje. Kada knjigu stavimo na stol, ona se pod utjecajem privlačenja prema Zemlji počinje kretati okomito prema dolje, kao i svako tijelo koje pada. Upravo tim pokretom knjiga pomiče čestice koje čine dio stola koji je s njom u kontaktu. Stol se deformira i javlja se elastična sila jednaka sili privlačenja knjige prema Zemlji, ali usmjerena prema gore.

Isto se može reći io djelovanju suspenzije. Kada se tijelo pričvrsti za slobodni kraj užeta AK (sl. 5), ono u prvom trenutku, pod utjecajem sile privlačenja prema Zemlji F, počinje padati okomito prema dolje u smjeru označenom s strijela. Pritom se zajedno s tijelom pomiče prema dolje kraj uzice K. Zbog toga se uzica produljuje, odnosno deformira. Zbog deformacije otvora javlja se prema gore elastična sila Fynp (slika 6). Na tijelo, dakle, djeluju dvije suprotno usmjerene sile. Na početku pada tijela izduženje užeta je malo, a mala je i elastična sila. Kako se tijelo pomiče dalje prema dolje, produljenje užeta se povećava, a istovremeno se povećava i elastična sila. Kada ovješeno tijelo miruje, to znači da je elastična sila u svojoj apsolutnoj vrijednosti jednaka sili privlačenja tijela prema Zemlji.

Ako je AK ​​kabel izrađen od meke gume, čija je krutost niska, tada se njegovo produljenje može primijetiti čak i okom. Ali ako je ovo uže čelična žica velike krutosti, tada će istezanje biti tako malo da se može detektirati samo posebnim instrumentima. Elastična sila koja djeluje na tijelo sa strane oslonca ili ovjesa često se naziva sila reakcije oslonca ili sila reakcije ovjesa (ili napetost ovjesa).

U mnogim slučajevima jasno su vidljive deformacije koje dovode do pojave elastične sile. Lako je uočiti nastavak zavojne opruge ili gumene uže. Ovdje navedeni primjeri pokazuju da elastična sila nastaje kada tijela koja međusobno djeluju dođu u dodir. Naravno, oba su tijela uvijek deformirana.

Važna značajka elastične sile je da je usmjerena okomito na kontaktnu površinu međusobno djelujućih tijela, a ako takva tijela kao što su šipke, užad, spiralne opruge sudjeluju u interakciji, tada je elastična sila usmjerena duž njihovih osi.

Potrebno je znati točku primjene i smjer svake sile. Važno je moći točno odrediti koje sile djeluju na tijelo i u kojem smjeru. Sila se označava kao , mjereno u Newtonima. Kako bismo razlikovali sile, one se označavaju na sljedeći način

Ispod su glavne sile koje djeluju u prirodi. Nemoguće je izmisliti nepostojeće sile pri rješavanju problema!

Mnogo je sila u prirodi. Ovdje razmatramo sile koje se razmatraju u školskom tečaju fizike kada se proučava dinamika. Spominju se i druge sile, o kojima će biti riječi u drugim odjeljcima.

Gravitacija

Na svako tijelo na planetu utječe Zemljina gravitacija. Snaga kojom Zemlja privlači svako tijelo određena je formulom

Točka primjene je u težištu tijela. Gravitacija uvijek usmjeren okomito prema dolje.

Sila trenja

Upoznajmo se sa silom trenja. Ova sila nastaje kada se tijela kreću i dvije površine dođu u dodir. Sila nastaje kao rezultat činjenice da površine, gledane pod mikroskopom, nisu glatke kao što se čine. Sila trenja određena je formulom:

Na mjestu dodira dviju površina djeluje sila. Usmjeren u smjeru suprotnom od kretanja.

Podrži reakcijsku snagu

Zamislite vrlo težak predmet koji leži na stolu. Stol se savija pod težinom predmeta. Ali prema trećem Newtonovom zakonu, stol djeluje na predmet točno istom silom kao i predmet na stolu. Sila je usmjerena suprotno od sile kojom predmet pritišće stol. To je gore. Ta se sila naziva reakcija oslonca. Ime sile "govori" reagirati podrška. Ova sila nastaje kad god dođe do udara o nosač. Priroda njegove pojave na molekularnoj razini. Objekt je, kao što je to, deformirao uobičajeni položaj i veze molekula (unutar stola), one se, zauzvrat, nastoje vratiti u svoje izvorno stanje, "otporati".

Apsolutno svako tijelo, čak i vrlo lagano (na primjer, olovka koja leži na stolu), deformira nosač na mikro razini. Stoga dolazi do reakcije potpore.

Ne postoji posebna formula za pronalaženje te sile. Označavaju ga slovom, ali ta moć je jednostavna odvojen pogled elastična sila, pa se može označiti kao

Sila se primjenjuje na mjestu kontakta predmeta s osloncem. Usmjeren okomito na nosač.

Budući da je tijelo predstavljeno kao materijalna točka, sila se može prikazati iz središta

Elastična sila

Ta sila nastaje kao posljedica deformacije (promjene početnog stanja tvari). Na primjer, kada rastežemo oprugu, povećavamo udaljenost između molekula materijala opruge. Kada oprugu sabijamo, smanjujemo je. Kad se uvijamo ili pomičemo. U svim ovim primjerima javlja se sila koja sprječava deformaciju – elastična sila.

Hookeov zakon

Elastična sila je usmjerena suprotno od deformacije.

Budući da je tijelo predstavljeno kao materijalna točka, sila se može prikazati iz središta

Kada su spojene u seriju, na primjer, opruge, krutost se izračunava formulom

Kada je spojen paralelno, krutost

Krutost uzorka. Youngov modul.

Youngov modul karakterizira elastična svojstva tvari. Ovo je konstantna vrijednost koja ovisi samo o materijalu, njegovom fizičko stanje. Karakterizira sposobnost materijala da se odupre vlačnoj ili tlačnoj deformaciji. Vrijednost Youngovog modula je tablična.

Saznajte više o svojstvima čvrstih tijela.

Tjelesna težina

Težina tijela je sila kojom neki predmet djeluje na nosač. Kažeš da je to gravitacija! Zabuna nastaje u sljedećem: doista, često je težina tijela jednaka sili gravitacije, ali su te sile potpuno različite. Gravitacija je sila koja proizlazi iz interakcije sa Zemljom. Težina je rezultat interakcije s potporom. Sila gravitacije djeluje u težištu predmeta, dok je težina sila koja djeluje na oslonac (ne na predmet)!

Ne postoji formula za određivanje težine. Ova sila se označava slovom .

Sila reakcije oslonca ili elastična sila nastaje kao odgovor na udar predmeta o ovjes ili oslonac, stoga je težina tijela brojčano uvijek jednaka sili elastičnosti, ali ima suprotan smjer.

Sila reakcije oslonca i utega su sile iste prirode, prema 3. Newtonovom zakonu jednake su i suprotno usmjerene. Težina je sila koja djeluje na oslonac, a ne na tijelo. Na tijelo djeluje sila gravitacije.

Tjelesna težina ne mora biti jednaka gravitaciji. Može biti više ili manje, a može biti i takva da težina bude nula. Ovo stanje se zove bestežinsko stanje. Bestežinsko stanje je stanje kada neki objekt ne djeluje s osloncem, na primjer, stanje leta: postoji gravitacija, ali težina je nula!

Moguće je odrediti smjer ubrzanja ako odredite kamo je usmjerena rezultantna sila

Imajte na umu da je težina sila, mjerena u Newtonima. Kako pravilno odgovoriti na pitanje: "Koliko težiš"? Odgovaramo 50 kg, ne navodeći težinu, već našu masu! U ovom primjeru, naša težina je jednaka gravitaciji, što je otprilike 500N!

Preopterećenje- omjer težine i gravitacije

Snaga Arhimeda

Sila nastaje kao rezultat međudjelovanja tijela s tekućinom (plinom), kada je ono uronjeno u tekućinu (ili plin). Ta sila potiskuje tijelo iz vode (plina). Stoga je usmjeren okomito prema gore (gura). Određeno formulom:

U zraku zanemarujemo Arhimedovu silu.

Ako je Arhimedova sila jednaka sili gravitacije, tijelo lebdi. Ako je Arhimedova sila veća, onda se ona diže na površinu tekućine, ako je manja, ona tone.

električne sile

Postoje sile električnog podrijetla. Javlja se kada postoji električno punjenje. O tim silama, kao što su Coulombova sila, Amperova sila, Lorentzova sila, detaljno se raspravlja u odjeljku o elektricitetu.

Shematski prikaz sila koje djeluju na tijelo

Često je tijelo modelirano materijalnom točkom. Stoga se u dijagramima različite točke primjene prenose u jednu točku - u središte, a tijelo je shematski prikazano kao krug ili pravokutnik.

Da bi se sile ispravno označile, potrebno je navesti sva tijela s kojima tijelo koje proučavamo djeluje. Odredite što se događa kao rezultat interakcije sa svakim od njih: trenje, deformacija, privlačenje ili možda odbijanje. Odredite vrstu sile, točno označite smjer. Pažnja! Broj sila će se podudarati s brojem tijela s kojima se odvija interakcija.

Glavna stvar koju treba zapamtiti

1) Sile i njihova priroda;
2) Smjer sila;
3) Biti u stanju identificirati sile koje djeluju

Razlikovati vanjsko (suho) i unutarnje (viskozno) trenje. Vanjsko trenje javlja se između čvrstih površina u dodiru, unutarnje trenje javlja se između slojeva tekućine ili plina tijekom njihovog relativnog gibanja. Postoje tri vrste vanjskog trenja: statičko trenje, trenje klizanja i trenje kotrljanja.

Trenje kotrljanja određuje se formulom

Sila otpora nastaje kada se tijelo giba u tekućini ili plinu. Veličina sile otpora ovisi o veličini i obliku tijela, brzini njegova gibanja i svojstvima tekućine ili plina. Pri malim brzinama sila otpora proporcionalna je brzini tijela

Kod velikih brzina proporcionalan je kvadratu brzine

Razmotrimo uzajamno privlačenje tijela i Zemlje. Između njih, prema zakonu gravitacije, nastaje sila

Sada usporedimo zakon gravitacije i silu gravitacije

Vrijednost ubrzanja slobodnog pada ovisi o masi Zemlje i njezinom polumjeru! Tako je moguće izračunati kojom će akceleracijom pasti objekti na Mjesecu ili bilo kojem drugom planetu, koristeći masu i radijus tog planeta.

Udaljenost od središta Zemlje do polova manja je nego do ekvatora. Stoga je ubrzanje slobodnog pada na ekvatoru nešto manje nego na polovima. Pritom treba napomenuti da je glavni razlog ovisnosti ubrzanja slobodnog pada o geografskoj širini područja činjenica da se Zemlja okreće oko svoje osi.

Pri udaljavanju od površine Zemlje sila teže i ubrzanje slobodnog pada mijenjaju se obrnuto proporcionalno kvadratu udaljenosti od središta Zemlje.

Sila koja proizlazi iz deformacije tijela i usmjerena je u smjeru suprotnom od gibanja čestica tijela tijekom deformacije naziva se sila elastičnosti.

U osnovnom kolegiju fizike razmatraju se vlačne ili tlačne deformacije. U tim slučajevima su elastične sile usmjerene duž linije djelovanja vanjske sile, tj. duž osi uzdužno deformabilnih navoja, opruga, šipki itd. ili okomito na površine dodirnih tijela.

Vlačnu ili tlačnu deformaciju karakterizira apsolutno istezanje: Gdje x 0- početna duljina uzorka, x- njegova duljina u deformiranom stanju. Relativno izduženje tijela naziva se omjer.

Elastična sila koja djeluje na tijelo sa strane oslonca ili ovjesa naziva se podrška reakcijskoj sili(suspenzija) ili sila napetosti ovjesa.

Hookeov zakon: Elastična sila koja se javlja u tijelu kada se deformira u napetosti ili stiskanju, proporcionalan je apsolutnom izduženju tijela i usmjeren je suprotno od smjera gibanja čestica tijela u odnosu na druge čestice tijekom deformacije:

Ovdje x– izduženje tijela (opruge) (m). Istezanje je pozitivno kada je tijelo istegnuto, a negativno kada je stisnuto.

Faktor proporcionalnosti k naziva se krutost tijela, ovisi o materijalu od kojeg je tijelo izrađeno, kao i o njegovim geometrijskim dimenzijama i obliku. Krutost se izražava u njutnima po metru (N/m).

Elastična sila ovisi samo o promjeni udaljenosti između dijelova danog elastičnog tijela koji međusobno djeluju. Rad elastične sile ne ovisi o obliku putanje i jednak je nuli pri gibanju po zatvorenoj putanji. Prema tome, sile elastičnosti su potencijalne sile.

Nastavljamo pregled nekih tema iz odjeljka "Mehanika". Naš današnji sastanak posvećen je sili elastičnosti.

To je sila koja je u osnovi rada mehaničkih satova, izloženi su joj užad za vuču i sajle dizalica, amortizeri automobila i vlakova. Testira se loptom i teniskom lopticom, reketom i drugom sportskom opremom. Kako nastaje ova sila i kojim zakonima se pokorava?

Kako se rađa sila elastičnosti?

Meteorit pod utjecajem gravitacije pada na tlo i ... smrzava se. Zašto? Nestaje li Zemljina gravitacija? Ne. Moć ne može tek tako nestati. U trenutku dodira s tlom uravnotežen drugom silom koja joj je jednaka po veličini i suprotnog smjera. I meteorit, kao i druga tijela na površini zemlje, ostaje u stanju mirovanja.

Ova sila ravnoteže je elastična sila.

U tijelu se pojavljuju iste elastične sile za sve vrste deformacija:

• istezanje;
• kompresija;
• smicanje;
• savijanje;
• torzija.

Sile koje proizlaze iz deformacije nazivaju se elastične.

Priroda elastične sile

Mehanizam nastanka elastičnih sila objašnjen je tek u 20. stoljeću, kada je utvrđena priroda sila međumolekularnog međudjelovanja. Fizičari su ih nazvali "divovima s kratkim rukama". Što znači ova duhovita usporedba?

Između molekula i atoma tvari djeluju sile privlačenja i odbijanja. Takva interakcija je zbog najmanjih čestica koje su dio njih, noseći pozitivne i negativne naboje. Ove ovlasti su dovoljno velike.(odatle riječ div), ali pojavljuju se samo na vrlo malim udaljenostima.(s kratkim rukama). Na udaljenostima jednakim trostrukom promjeru molekule, te se čestice privlače, "radosno" žureći jedna prema drugoj.

Ali, nakon dodira, počinju se aktivno odbijati.

S vlačnom deformacijom povećava se udaljenost između molekula. Međumolekularne sile nastoje ga skratiti. Kada se stisnu, molekule se približavaju jedna drugoj, što dovodi do odbijanja molekula.

A budući da se sve vrste deformacija mogu svesti na pritisak i napetost, pojava elastičnih sila za bilo koju deformaciju može se objasniti ovim razmatranjima.

Hookeov zakon

Sunarodnjak i suvremenik proučavao je sile elastičnosti i njihov odnos s drugim fizikalnim veličinama. Smatra se utemeljiteljem eksperimentalne fizike.

znanstvenica nastavio svoje eksperimente oko 20 godina. Proveo je pokuse na deformaciji napetosti opruga, viseći s njih raznih tereta. Viseći teret uzrokovao je istezanje opruge sve dok elastična sila koja se u njoj pojavila nije uravnotežila težinu tereta.

Kao rezultat brojnih eksperimenata, znanstvenik zaključuje: primijenjena vanjska sila uzrokuje pojavu elastične sile jednake njoj po veličini, koja djeluje u suprotnom smjeru.

Zakon koji je on formulirao (Hookeov zakon) je sljedeći:

Elastična sila koja proizlazi iz deformacije tijela izravno je proporcionalna veličini deformacije i usmjerena je u smjeru suprotnom od gibanja čestica.

Formula za Hookeov zakon je:

• F je modul, tj. brojčana vrijednost elastične sile;
• x - promjena duljine tijela;
• k - koeficijent krutosti, ovisno o obliku, veličini i materijalu tijela.

Znak minus označava da je elastična sila usmjerena u smjeru suprotnom od pomaka čestice.

Svaki fizikalni zakon ima svoje granice primjene. Zakon koji je uspostavio Hooke može se primijeniti samo na elastične deformacije, kada se nakon uklanjanja opterećenja oblik i dimenzije tijela potpuno vraćaju.

U plastičnim tijelima (plastelin, mokra glina) takva restauracija se ne događa.

Sve čvrste tvari imaju do određenog stupnja elastičnost. Prvo mjesto u elastičnosti zauzima guma, drugo -. Čak i vrlo elastični materijali pod određenim opterećenjem mogu pokazivati ​​plastična svojstva. Ovo se koristi za proizvodnju žice, izrezivanje dijelova složenog oblika s posebnim markicama.

Ako imate ručnu kuhinjsku vagu (steelyard), onda je na njima vjerojatno napisana najveća težina za koju su predviđene. Recimo 2 kg. Prilikom vješanja većeg tereta, čelična opruga unutar njih nikada neće povratiti svoj oblik.

Rad elastične sile

Kao i svaka sila, sila elastičnosti, sposobni obaviti posao. I vrlo korisno. Ona štiti deformabilno tijelo od uništenja. Ako se ne nosi s tim, dolazi do uništenja tijela. Na primjer, pukne sajla dizalice, žica na gitari, elastična traka na praćki, opruga na vagi. Ovaj rad uvijek ima predznak minus, jer je i sama elastična sila negativna.

Umjesto pogovora

Naoružani informacijama o elastičnim silama i deformacijama, lako možemo odgovoriti na neka pitanja. Na primjer, zašto velike ljudske kosti imaju cjevastu strukturu?

Savijte metalno ili drveno ravnalo. Njegov konveksni dio će doživjeti vlačnu deformaciju, a konkavni dio će doživjeti kompresiju. Srednji dio tereta ne nosi. Priroda je iskoristila tu okolnost, opskrbivši čovjeka i životinje cjevastim kostima. U procesu kretanja kosti, mišići i tetive doživljavaju sve vrste deformacija. Cjevasta struktura kostiju uvelike olakšava njihovu težinu, a da nimalo ne utječe na njihovu čvrstoću.

Stabljike žitarica imaju istu strukturu. Udari vjetra savijaju ih prema tlu, a elastične sile pomažu da se usprave. Usput, okvir bicikla također je izrađen od cijevi, a ne šipki: težina je puno manja, a metal je spremljen.

Zakon koji je uspostavio Robert Hooke poslužio je kao osnova za stvaranje teorije elastičnosti. Proračuni izvedeni prema formulama ove teorije dopuštaju osigurati trajnost visokogradnje i drugih građevina.

Ako vam je ova poruka bila korisna, bilo bi mi drago da vas vidim