Ce înseamnă forța elasticității. Forță elastică. Lecții complete - Knowledge Hypermarket. Forța elastică care rezultă din deformarea corpului este proporțională ca modul cu alungirea corpului și este dirijată în așa fel încât tinde să reducă cantitatea de deformare a corpului.

Deformare (din lat. Deformatio - deformare) - modificarea formei și dimensiunii corpului sub influența forțelor externe.

Deformările apar deoarece diferite părți ale corpului se mișcă diferit. Dacă toate părțile corpului s-ar mișca în același mod, atunci corpul și-ar păstra întotdeauna forma și dimensiunile originale, de exemplu. ar rămâne nedistorsionat. Să ne uităm la câteva exemple.

Tipuri de deformare

Deformații de tracțiune și compresiune. Dacă se aplică o forță unei tije uniforme fixate la un capăt F de-a lungul axei sale în direcția îndepărtată de tijă, apoi va suferi deformare entorse. Deformarea la tracțiune este experimentată de cabluri, frânghii, lanțuri în dispozitivele de ridicare, legături între mașini etc. Dacă o forță este aplicată unei tije fixe de-a lungul axei sale spre tijă, atunci aceasta va suferi comprimare. Deformarea prin compresie este experimentată de stâlpi, stâlpi, pereți, fundații ale clădirilor etc. Când este întinsă sau comprimată, zona se schimbă secțiune transversală corp.

Deformare prin forfecare. Deformarea prin forfecare poate fi demonstrată clar pe un model al unui corp solid, care este o serie de plăci paralele interconectate prin arcuri (Fig. 3). Forța orizontală F deplasează plăcile una față de alta fără a modifica volumul corpului. În solidele reale, volumul nu se modifică nici în timpul deformării prin forfecare. Niturile și șuruburile care fixează părți ale fermelor de pod, grinzile la suporturi etc sunt supuse deformărilor prin forfecare.Forfecarea la unghiuri mari poate duce la distrugerea corpului - forfecare. Forfecarea are loc în timpul funcționării foarfecelor, dalților, dalților, dinților de ferăstrău etc.

deformare la încovoiere. Este ușor să îndoiți o riglă din oțel sau din lemn cu mâinile sau cu altă forță. Grinzile și tijele situate orizontal se lasă sub acțiunea gravitației sau a sarcinilor - sunt supuse deformării la încovoiere. Deformarea la îndoire poate fi redusă la deformare neuniformă la tensiune și compresie. Într-adevăr, pe partea convexă (Fig. 4), materialul este supus la tensionare, iar pe partea concavă, la compresiune. Mai mult, cu cât stratul considerat este mai aproape de stratul din mijloc KN, cu atât tensiunea și compresia devin mai mici. Strat KN, care nu este sub tensiune sau compresie, se numește neutru. Pentru că straturile ABși CD sunt supuse la cea mai mare tensiune și informații de compresie, atunci cea mai mare putere elasticitatea (în figura 4, forțele elastice sunt indicate prin săgeți). De la stratul exterior la cel neutru, aceste forțe scad. Stratul interior nu suferă deformații vizibile și nu rezistă forțelor externe și, prin urmare, este de prisos în proiectare. De obicei, este îndepărtat, înlocuind tijele cu țevi, iar barele cu grinzi în T (Fig. 5). Natura însăși, în procesul de evoluție, a înzestrat pe om și animalele cu oase tubulare ale membrelor și a făcut tulpinile cerealelor tubulare, combinând economiile de material cu rezistența și precizia „structurilor”.

Deformare la torsiune. Dacă o tijă, al cărei capete este fix (Fig. 6), este acționată de o pereche de forțe situate în planul secțiunii transversale a tijei, atunci se răsucește. Există, după cum se spune, o deformare de torsiune.

Fiecare secțiune transversală este rotită față de cealaltă în jurul axei tijei cu un anumit unghi. Distanța dintre secțiuni nu se modifică. Astfel, experiența arată că la torsiune o tijă poate fi reprezentată ca un sistem de cercuri rigide, centrate pe o axă comună. Aceste cercuri (mai precis, secțiuni) sunt rotite cu diverse unghiuriîn funcţie de distanţa lor până la capătul fix. Straturile sunt rotite, dar în unghiuri diferite. Cu toate acestea, în acest caz, straturile adiacente se rotesc unul față de celălalt în același mod de-a lungul întregii tije. Deformarea torsională poate fi considerată ca o forfecare neuniformă. Neomogenitatea la forfecare se exprimă prin faptul că deformarea la forfecare se modifică de-a lungul razei tijei. Nu există deformare pe axă și este maximă la periferie. La capătul tijei cel mai îndepărtat de capătul fix, unghiul de rotație este cel mai mare. Se numește unghi de răsucire. Torsiunea este experimentată de arborii tuturor mașinilor, șuruburi, șurubelnițe etc.

Principalele deformații sunt deformațiile de tracțiune (compresie) și de forfecare. În timpul deformării la încovoiere, apar tensiune și compresie neomogenă, iar în timpul deformării prin torsiune, apare forfecare neomogenă.

Forțe de elasticitate.

Când un corp solid este deformat, particulele sale (atomi, molecule, ioni) situate la nodurile rețelei cristaline sunt deplasate din pozițiile lor de echilibru. Această deplasare este contracarată de forțele de interacțiune dintre particulele unui corp solid, care țin aceste particule la o anumită distanță unele de altele. Prin urmare, la orice tip de deformare elastică, în corp apar forțe interne care împiedică deformarea acestuia.

Forțele care apar în corp în timpul deformării sale elastice și îndreptate împotriva direcției de deplasare a particulelor corpului cauzate de deformare se numesc forte elastice.

Forțele elastice previn modificări ale dimensiunii și formei corpului. Forțele elastice acționează în orice secțiune a corpului deformat, precum și în locul contactului acestuia cu corpul provocând deformare. De exemplu, din partea unei plăci deformate elastic D pe un bar DIN culcat pe el, acționează forța elasticității F control (Fig. 7).

O caracteristică importantă a forței elastice este că este îndreptată perpendicular pe suprafața de contact a corpurilor, iar dacă vorbim despre astfel de corpuri precum arcuri deformate, tije comprimate sau întinse, corzi, fire, atunci forța elastică este direcționată de-a lungul lor. topoare. În cazul tensiunii sau compresiunii unilaterale, forța elastică este îndreptată de-a lungul liniei drepte de-a lungul căreia acționează forța externă, determinând deformarea corpului, opus direcției acestei forțe și perpendicular pe suprafața corpului.

Se numește forța care acționează asupra corpului din partea suportului sau suspensiei forța de reacție a susținerii sau forța de tensionare a suspensiei . Figura 8 prezintă exemple de aplicare a forțelor de reacție a suportului asupra corpurilor (forțe N 1 , N 2 , N 3 , N 4 și N 5) și forțele de întindere a suspensiei (forțe T 1 , T 2 , T 3 și T 4).

Alungirea absolută și relativă

Deformare liniară(deformare de tracțiune) este o deformare în care doar una dimensiune liniară corp.

Este cuantificat absolut Δ lși relativ ε elongaţie.

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

unde ∆ l– alungirea absolută (m); lși l 0 – lungimea finală și inițială a corpului (m).

• Dacă corpul este întins, atunci l > l 0 și ∆ l = l – l 0 ;
• dacă corpul este comprimat, atunci l < l 0 și ∆ l = –(l – l 0) = l 0 – l(Fig. 9).

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

Unde ε – alungirea relativă a corpului (%); Δ l– alungirea absolută a corpului (m); l 0 – lungimea inițială a corpului (m).

legea lui Hooke

Relația dintre forța elastică și deformarea elastică a unui corp (pentru deformații mici) a fost stabilită experimental de contemporanul lui Newton, fizicianul englez Hooke. Expresia matematică a legii lui Hooke pentru deformarea tensiunii (compresiei) unilaterale are forma

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

Unde F upr - modulul forței elastice care apare în corp în timpul deformării (N); Δ l este alungirea absolută a corpului (m).

Coeficient k numit rigiditatea corpului este coeficientul de proporționalitate dintre forța de deformare și deformația din legea lui Hooke.

Rata de primăvară este numeric egală cu forța care trebuie aplicată unei probe deformabile elastic pentru a provoca deformarea unitară a acesteia.

În sistemul SI, rigiditatea este măsurată în newtoni pe metru (N/m):

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

Coeficientul de rigiditate depinde de forma și dimensiunile corpului, precum și de material.

legea lui Hooke pentru tensiune unilaterală (compresie) se formulează după cum urmează:

forţa elastică care apare la deformarea unui corp este proporţională cu alungirea acestui corp.

stres mecanic.

Starea unui corp deformat elastic se caracterizează prin cantitate σ numit stres mecanic.

Stresul mecanic σ egal cu raportul dintre modulul elastic F ex la zona secțiunii transversale a corpului S:

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

Tensiunea mecanică se măsoară în Pa: [ σ ] \u003d N / m 2 \u003d Pa.

Observațiile arată că la deformații mici, solicitarea mecanică σ este proporțională cu alungirea relativă ε:

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

Această formulă este unul dintre tipurile de scriere a legii lui Hooke pentru întinderea unilaterală (compresie). În această formulă, alungirea este luată modulo, deoarece poate fi atât pozitivă, cât și negativă.

Factorul de proporționalitate Eîn legea lui Hooke se numește modulul de elasticitate (modulul Young). S-a stabilit experimental că

Modulul Young numeric egal cu un astfel de stres mecanic care ar fi trebuit să apară în organism cu o creștere a lungimii sale de 2 ori.

Să demonstrăm: Din legea lui Hooke obținem că \(~E = \frac(\sigma)(\varepsilon)\) . Dacă modulul lui Young E numeric egală cu efortul mecanic σ , atunci \(~\varepsilon = \frac(\Delta l)(l_0) = 1\) . Atunci \(~\Delta l = l - l_0 = l_0 ; l = 2 l_0\) .

Modulul lui Young se măsoară în Pa: [ E] = Pa/1 = Pa.

Practic orice corp (cu excepția cauciucului) aflat sub deformare elastică nu își poate dubla lungimea: se va rupe mult mai devreme. Cu cât modulul de elasticitate este mai mare E, cu cât tija este mai puțin deformată, toate celelalte lucruri fiind egale ( l 0 , S, F). În acest fel, Modulul Young caracterizează rezistența unui material la deformarea elastică în tensiune sau compresie.

Legea lui Hooke, scrisă în forma (2), poate fi ușor redusă la forma (1). Într-adevăr, substituind în (2) \(~\sigma = \frac(F_(ynp))(S)\) și \(~\varepsilon = \frac(\Delta l)(l_0)\) , obținem:

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

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

Întinde diagrama

Pentru a studia deformarea la tracțiune, o tijă din materialul studiat este supusă la tensionare cu ajutorul unor dispozitive speciale (de exemplu, folosind o presă hidraulică) și se măsoară alungirea probei și efortul care apare în acesta. Conform rezultatelor experimentelor, este trasat un grafic al dependenței tensiunii σ din alungire ε . Acest grafic se numește diagramă de întindere (Fig. 10).

Numeroase experimente arată că la tulpini mici, stresul σ direct proportional cu alungirea ε (complot OA diagrame) - Legea lui Hooke este îndeplinită.

Experimentul arată că micile deformații dispar complet după îndepărtarea sarcinii (se observă o deformare elastică). Pentru deformații mici, legea lui Hooke este îndeplinită. Se numește tensiunea maximă la care legea lui Hooke încă este valabilă limita de proporționalitateσ p. Corespunde punctului DAR diagrame.

Dacă continuați să creșteți sarcina de tracțiune și depășiți limita proporțională, atunci deformația devine neliniară (linie ABCDEK). Cu toate acestea, cu deformații neliniare mici, după ce sarcina este îndepărtată, forma și dimensiunile corpului sunt practic restaurate (secțiunea AB Arte grafice). Se numește efortul maxim la care nu există deformații reziduale vizibile limita elastica pachet σ. Corespunde punctului LA diagrame. Limita elastică depășește limita proporțională cu cel mult 0,33%. În cele mai multe cazuri, ele pot fi considerate egale.

În cazul în care un sarcina externă este astfel încât în ​​corp apar tensiuni care depășesc limita elastică, apoi natura deformației se modifică (secțiunea BCDEK). După îndepărtarea sarcinii, proba nu revine la dimensiunile anterioare, ci rămâne deformată, deși cu o alungire mai mică decât sub sarcină (deformare plastică).

Dincolo de limita elastică la o anumită valoare a tensiunii corespunzătoare punctului DIN diagrame, alungirea crește aproape fără a crește sarcina (secțiunea CD diagramele sunt aproape orizontale). Acest fenomen se numește fluxul de materiale.

Odată cu o creștere suplimentară a sarcinii, tensiunea crește (de la punctul D), după care apare o îngustare („gât”) în partea cea mai puțin durabilă a probei. Datorită scăderii ariei secțiunii transversale (punctul E) pentru o alungire suplimentară este nevoie de mai puțină solicitare, dar, în final, are loc distrugerea probei (punctul La). Tensiunea maximă pe care o poate suporta o probă fără a se rupe se numește rezistență la tracțiune . Să o notăm σ pch (corespunde punctului E diagrame). Valoarea sa depinde foarte mult de natura materialului și de prelucrarea acestuia.

Pentru a minimiza posibilitatea defecțiunii structurale, inginerul trebuie, atunci când calculează, să permită astfel de solicitări în elementele sale care vor fi doar o parte din rezistența la rupere a materialului. Ele se numesc tensiuni admisibile. Se numește numărul care arată de câte ori rezistența la tracțiune este mai mare decât efortul admisibil factor de securitate. Notând marja de siguranță prin n, obținem:

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

Marja de siguranță este aleasă în funcție de mai multe motive: calitatea materialului, natura încărcăturii (statice sau în schimbare în timp), gradul de pericol care decurge din distrugere etc. În practică, marja de siguranță variază de la 1,7 la 10. Alegând marja corectă de siguranță, inginerul poate determina tensiunea admisă în structură.

Plasticitate și fragilitate

Un corp din orice material cu mici deformari se comporta ca elastic. În același timp, aproape toate corpurile pot suferi deformații plastice într-o oarecare măsură. Sunt corpuri fragile.

Proprietățile mecanice ale materialelor sunt variate. Materiale precum cauciucul sau oțelul prezintă proprietăți elastice până la solicitări și deformații relativ mari. Pentru oțel, de exemplu, legea lui Hooke ține până la ε = 1%, iar pentru cauciuc - până la mult mai mare ε , de ordinul zecilor de procente. Prin urmare, aceste materiale sunt numite elastic.

În argilă umedă, plastilină sau plumb, aria de deformare elastică este mică. Se numesc materiale în care sarcinile ușoare provoacă deformare plastică plastic.

Împărțirea materialelor în elastic și plastic este în mare măsură condiționată. În funcție de tensiunile care apar, același material se va comporta fie ca elastic, fie ca plastic. Deci, la solicitări foarte mari, oțelul prezintă proprietăți ductile. Acesta este utilizat pe scară largă în ștanțarea produselor din oțel folosind prese care creează o sarcină uriașă.

Oțelul sau fierul rece sunt greu de forjat cu un ciocan. Dar după o încălzire puternică, este ușor să le dai orice formă prin forjare. Plastic la temperatura camerei, plumbul capătă proprietăți elastice pronunțate dacă este răcit la o temperatură sub -100 °C.

De mare importanță în practică este proprietatea solidelor, numită fragilitate. Corpul este numit fragil, dacă se prăbușește sub deformații mici. Produsele din sticlă și porțelan sunt fragile: se sparg în bucăți când sunt aruncate pe podea, chiar și de la o înălțime mică. Fonta, marmura, chihlimbarul au, de asemenea, o fragilitate crescută. Dimpotrivă, oțelul, cuprul, plumbul nu sunt fragile.

Trăsăturile distinctive ale corpurilor fragile sunt cel mai ușor de înțeles folosind dependența σ din ε când este întins. Figura 11, a, b prezintă diagramele de tracțiune ale fontei și oțelului. Ei arată că atunci când fonta este întinsă cu doar 0,1%, apare o solicitare de aproximativ 80 MPa în ea, în timp ce în oțel este de numai 20 MPa la aceeași deformare.

Fonta este distrusă imediat la o alungire de 0,45%, aproape fără a suferi deformații plastice preliminare. Rezistența sa la tracțiune este de 1,2∙108 Pa. La oţel la ε = 0,45% deformarea este încă elastică și se produce cedarea la ε ≈ 15%. Rezistența la tracțiune a oțelului este de 700 MPa.

În toate materialele fragile, stresul crește foarte rapid odată cu alungirea și eșuează la deformații foarte mici. Proprietățile plastice ale materialelor fragile practic nu se manifestă.

Literatură

1. Kabardin O.F. Fizica: Ref. materiale: Proc. indemnizație pentru studenți. - M.: Iluminismul, 1991. - 367 p.
2. Kikoin I.K., Kikoin A.K. Fizica: Proc. pentru 9 celule. medie şcoală - M .: Pro-sveshchenie, 1992. - 191 p.
3. Fizica: Mecanica. Nota 10: Proc. pentru studiul aprofundat al fizicii / M.M. Balashov, A.I. Gomonova, A.B. Dolitsky și alții; Ed. G.Ya. Miakishev. – M.: Butarda, 2002. – 496 p.
4. Manual elementar de fizică: Proc. indemnizatie. În 3 volume / Ed. G.S. Landsberg: v. 1. Mecanica. Căldură. Fizica moleculară. - M.: Fiz-matlit, 2004. - 608 p.
5. Yavorsky B.M., Seleznev Yu.A. Un ghid de referință pentru fizică pentru solicitanții la universități și autoeducație. – M.: Nauka, 1983. – 383 p.

Compilatoare

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

După cum am văzut, atunci când un corp este deformat, apare o forță, de natură electrică, care readuce corpul la starea inițială.

În lecțiile „A doua lege a lui Newton” și „Măsurarea forțelor. Dinamometru” ne-am familiarizat cu forțele care apar atunci când un arc este deformat. Aceste forțe se numesc forțe elastice. Acum putem spune că forța elastică apare atunci când orice corp este deformat, și nu doar un arc; orice corp poate juca rolul unui izvor!

Deoarece forța elastică readuce corpul la starea inițială, este îndreptată împotriva direcției de deplasare a particulelor corpului în timpul deformării. Dacă, de exemplu, o tijă, al cărei capete este fix (Fig. 1), este întinsă astfel încât particulele din ea să fie deplasate față de capătul fix spre dreapta (Fig. 2), atunci o forță elastică îndreptat spre stânga apare. Dacă tija este comprimată, așa cum se arată în Figura 3, atunci particulele din ea sunt deplasate spre stânga, iar forța elastică este îndreptată spre dreapta.

Forța elastică este forța care apare în timpul deformării corpurilor și este îndreptată în direcția opusă direcției de deplasare a particulelor corpului în timpul deformării.

În cele ce urmează, vom lua în considerare forțele elastice care apar numai în timpul deformării la tracțiune sau compresiune.

Dacă am efectuat experimentul descris în lecția „Măsurarea forțelor. Dinamometru”, nu cu un arc, ci, de exemplu, cu un fel de tijă, atunci ne-am putea asigura că cu deformații mici ale tijei (mici în comparație cu lungimea sa ) ​​forța elastică a tijei deformate, precum și a arcului, este proporțională cu alungirea acesteia. În consecință, legea lui Hooke, exprimată prin formulă, este valabilă pentru orice corp elastic, cu condiția ca aceste deformații să fie suficient de mici. Deformarea x defineste aranjament reciproc părți ale corpului deformat, adică coordonatele lor. Prin urmare, legea lui Hooke arată că forța elastică depinde de coordonatele părților individuale ale corpului deformat.

Dar cum apare deformarea corpului în sine?

Să luăm două cărucioare cu bile de cauciuc moale fixate în față (Fig. 4). Să punem cărucioarele în mișcare una spre alta, astfel încât să se ciocnească. Când bilele se ating, ambele își vor schimba forma, se vor deforma. În același timp, vitezele cărucioarelor cu care sunt prinse bilele vor scădea treptat. În cele din urmă, cărucioarele se vor opri pentru o clipă, apoi vor începe să se deplaseze în direcții opuse, adică vor primi din nou accelerații. Este clar că motivul accelerației este forța elastică care apare atunci când bilele sunt deformate. Din acest experiment se poate observa că deformarea s-a produs datorită faptului că bilele, după contact, au continuat să se miște în aceeași direcție o perioadă de timp, până când forța elastică care a apărut din cauza deformării le-a oprit. După aceea, bilele deformate, redându-și forma, au forțat cărucioarele să se miște în direcția opusă. Dar de îndată ce bilele și-au recăpătat forma, a dispărut și forța elastică. Prin urmare, se poate spune că cauza deformării bilei a fost mișcarea uneia dintre părțile sale față de cealaltă, iar rezultatul deformării a fost forța elastică.

Dacă acum înlocuim bilele de cauciuc cu altele din oțel și repetăm ​​experimentul, vom vedea că rezultatul va fi exact același. Cărucioarele se ciocnesc, se opresc pentru o clipă și apoi se deplasează în direcții opuse. Dar acum nu vom vedea o schimbare a formei bilelor, deformarea lor. Acest lucru nu înseamnă că nu există deformare. La urma urmei, cărucioarele cu bile de oțel se comportă exact la fel ca cărucioarele cu bile de cauciuc. Însă pentru bilele de oțel, deformările sunt foarte mici și nu pot fi observate fără instrumente speciale (asta înseamnă că bilele de oțel au o rigiditate mult mai mare decât cele din cauciuc).

Adesea, nu numai deformațiile sunt invizibile, ci și acele mișcări din cauza cărora apar deformații. Când vedem, de exemplu, o carte întinsă pe o masă, nu putem, desigur, să observăm că atât cartea, cât și masa sunt ușor deformate. Dar tocmai deformarea mesei, care este complet invizibilă pentru ochi, duce la apariția unei forțe elastice care este îndreptată vertical în sus și echilibrează forța de atracție a cărții către Pământ. Prin urmare, cartea este în repaus. Când punem o carte pe masă, aceasta începe să se miște vertical în jos sub influența atracției către Pământ, ca orice corp care căde. Cu această mișcare cartea deplasează particulele care alcătuiesc partea de masă care este în contact cu ea. Masa este deformată și ia naștere o forță elastică, exact egală cu forța de atracție a cărții spre Pământ, dar îndreptată în sus.

Același lucru se poate spune despre acțiunea suspendării. Când un corp este atașat de capătul liber al cordonului AK (Fig. 5), atunci în primul moment, sub influența forței de atracție către Pământ F, începe să cadă vertical în jos în direcția indicată de săgeată. În același timp, capătul cordonului K se mișcă în jos odată cu corpul, ca urmare, cordonul se prelungește, adică se deformează. Din cauza deformarii gaurii, apare o forta elastica ascendenta Fynp (Fig. 6). Prin urmare, asupra corpului acţionează două forţe direcţionate opus. La începutul căderii corpului, alungirea cordonului este mică, iar forța elastică este, de asemenea, mică. Pe măsură ce corpul se mișcă mai în jos, alungirea cordonului crește și, în același timp, crește și forța elastică. Când un corp suspendat este în repaus, aceasta înseamnă că forța elastică în valoarea sa absolută este egală cu forța de atracție a corpului către Pământ.

Dacă cablul AK este fabricat din cauciuc moale, a cărui rigiditate este scăzută, atunci alungirea sa poate fi observată chiar și cu ochii. Dar dacă acest cablu este un fir de oțel de mare rigiditate, atunci alungirea va fi atât de mică încât poate fi detectată doar de instrumente speciale. Forța elastică care acționează asupra corpului din partea laterală a suportului sau suspensiei este adesea numită forța de reacție a suportului sau forța de reacție a suspensiei (sau tensiunea suspensiei).

În multe cazuri, deformațiile care conduc la apariția unei forțe elastice sunt clar vizibile. Este ușor de observat prelungirea arcului elicoidal sau a cordonului de cauciuc. Exemplele date aici arată că forța elastică apare atunci când corpurile care interacționează intră în contact. Desigur, ambele corpuri sunt întotdeauna deformate.

O caracteristică importantă a forței elastice este că este direcționată perpendicular pe suprafața de contact a corpurilor care interacționează și, dacă astfel de corpuri cum ar fi tije, cabluri, arcuri spiralate participă la interacțiune, atunci forța elastică este direcționată de-a lungul axelor lor.

Este necesar să se cunoască punctul de aplicare și direcția fiecărei forțe. Este important să poți determina exact ce forțe acționează asupra corpului și în ce direcție. Forța se notează ca , măsurată în Newtoni. Pentru a face distincția între forțe, acestea sunt desemnate după cum urmează

Mai jos sunt principalele forțe care acționează în natură. Este imposibil să inventezi forțe inexistente atunci când rezolvi probleme!

Există multe forțe în natură. Aici luăm în considerare forțele care sunt luate în considerare la cursul de fizică școlară atunci când studiem dinamica. Sunt menționate și alte forțe, care vor fi discutate în alte secțiuni.

Gravitatie

Fiecare corp de pe planetă este afectat de gravitația Pământului. Forța cu care Pământul atrage fiecare corp este determinată de formula

Punctul de aplicare este în centrul de greutate al corpului. Gravitatie întotdeauna îndreptată vertical în jos.

Forța de frecare

Să ne familiarizăm cu forța de frecare. Această forță apare atunci când corpurile se mișcă și două suprafețe intră în contact. Forța apare ca urmare a faptului că suprafețele, atunci când sunt privite la microscop, nu sunt netede așa cum par. Forța de frecare este determinată de formula:

Se aplică o forță în punctul de contact dintre două suprafețe. Dirijată în direcția opusă mișcării.

Susține forța de reacție

Imaginează-ți un obiect foarte greu întins pe o masă. Masa se îndoaie sub greutatea obiectului. Dar conform celei de-a treia legi a lui Newton, masa acționează asupra obiectului cu exact aceeași forță ca și obiectul de pe masă. Forța este îndreptată opus forței cu care obiectul apasă pe masă. Asta e până. Această forță se numește reacție de sprijin. Numele forței „vorbește” reacționează sprijinul. Această forță apare ori de câte ori există un impact asupra suportului. Natura apariției sale la nivel molecular. Obiectul, așa cum spune, a deformat poziția și conexiunile obișnuite ale moleculelor (în interiorul tabelului), acestea, la rândul lor, tind să revină la starea lor inițială, „rezist”.

Absolut orice corp, chiar si unul foarte usor (de exemplu, un creion intins pe o masa), deformeaza suportul la nivel micro. Prin urmare, apare o reacție de sprijin.

Nu există o formulă specială pentru a găsi această forță. Ei o desemnează cu o literă, dar această putere este pur și simplu vedere separată forță elastică, deci poate fi notat ca

Forța se aplică în punctul de contact al obiectului cu suportul. Dirijate perpendicular pe suport.

Deoarece corpul este reprezentat ca un punct material, forța poate fi descrisă din centru

Forță elastică

Această forță apare ca urmare a deformării (modificări ale stării inițiale a materiei). De exemplu, atunci când întindem un arc, creștem distanța dintre moleculele materialului de arc. Când comprimăm arcul, îl micșorăm. Când răsucim sau ne deplasăm. În toate aceste exemple, apare o forță care împiedică deformarea - forța elastică.

legea lui Hooke

Forța elastică este îndreptată opus deformației.

Deoarece corpul este reprezentat ca un punct material, forța poate fi descrisă din centru

Când sunt conectate în serie, de exemplu, arcuri, rigiditatea este calculată prin formula

Când sunt conectate în paralel, rigiditatea

Rigiditatea probei. Modulul Young.

Modulul lui Young caracterizează proprietățile elastice ale unei substanțe. Aceasta este o valoare constantă care depinde numai de material, al acestuia condiție fizică. Caracterizează capacitatea unui material de a rezista la deformare la tracțiune sau compresiune. Valoarea modulului lui Young este tabelară.

Aflați mai multe despre proprietățile solidelor.

Greutate corporala

Greutatea corporală este forța cu care un obiect acționează asupra unui suport. Spui că e gravitație! Confuzia apare în următoarele: într-adevăr, adesea greutatea corpului este egală cu forța gravitației, dar aceste forțe sunt complet diferite. Gravitația este forța care rezultă din interacțiunea cu Pământul. Greutatea este rezultatul interacțiunii cu suportul. Forța de greutate se aplică la centrul de greutate al obiectului, în timp ce greutatea este forța care se aplică suportului (nu obiectului)!

Nu există o formulă pentru determinarea greutății. Această forță este indicată cu litera .

Forța de reacție a suportului sau forța elastică apare ca răspuns la impactul unui obiect asupra unei suspensii sau suport, prin urmare greutatea corpului este întotdeauna aceeași numeric cu forța elastică, dar are direcția opusă.

Forța de reacție a suportului și greutatea sunt forțe de aceeași natură, conform legii a 3-a a lui Newton sunt egale și direcționate opus. Greutatea este o forță care acționează asupra unui suport, nu asupra unui corp. Forța gravitației acționează asupra corpului.

Greutatea corporală poate să nu fie egală cu gravitația. Poate fi mai mult sau mai puțin, sau poate fi astfel încât greutatea să fie zero. Această stare se numește imponderabilitate. Imponderabilitate este o stare în care un obiect nu interacționează cu un suport, de exemplu, o stare de zbor: există gravitație, dar greutatea este zero!

Este posibil să determinați direcția de accelerație dacă determinați unde este direcționată forța rezultantă

Rețineți că greutatea este o forță, măsurată în Newtoni. Cum să răspunzi corect la întrebarea: „Cât cântărești”? Raspundem 50 kg, numind nu greutatea, ci masa noastra! În acest exemplu, greutatea noastră este egală cu gravitația, care este de aproximativ 500 N!

Supraîncărcare- raportul dintre greutate și gravitație

Puterea lui Arhimede

Forța apare ca urmare a interacțiunii unui corp cu un lichid (gaz), atunci când acesta este scufundat într-un lichid (sau gaz). Această forță împinge corpul afară din apă (gaz). Prin urmare, este îndreptat vertical în sus (împinge). Determinat prin formula:

În aer, neglijăm forța lui Arhimede.

Dacă forța lui Arhimede este egală cu forța gravitației, corpul plutește. Dacă forța lui Arhimede este mai mare, atunci se ridică la suprafața lichidului, dacă este mai mică, se scufundă.

forte electrice

Există forțe de origine electrică. Apare atunci când există incarcare electrica. Aceste forțe, cum ar fi forța Coulomb, forța Ampère, forța Lorentz, sunt discutate în detaliu în secțiunea Electricitate.

Desemnarea schematică a forțelor care acționează asupra corpului

Adesea corpul este modelat de un punct material. Prin urmare, în diagrame, diferite puncte de aplicare sunt transferate într-un singur punct - spre centru, iar corpul este reprezentat schematic ca un cerc sau dreptunghi.

Pentru desemnarea corectă a forțelor este necesară enumerarea tuturor corpurilor cu care interacționează corpul studiat. Determinați ce se întâmplă ca rezultat al interacțiunii cu fiecare: frecare, deformare, atracție sau poate respingere. Determinați tipul de forță, indicați corect direcția. Atenţie! Numărul de forțe va coincide cu numărul de corpuri cu care are loc interacțiunea.

Principalul lucru de reținut

1) Forțele și natura lor;
2) Direcția forțelor;
3) Să fie capabil să identifice forțele care acționează

Distingeți frecarea externă (uscata) și cea internă (vâscoasă). Frecarea externă are loc între suprafețele solide în contact, frecarea internă are loc între straturi de lichid sau gaz în timpul mișcării lor relative. Există trei tipuri de frecare externă: frecare statică, frecare de alunecare și frecare de rulare.

Frecarea de rulare este determinată de formulă

Forța de rezistență apare atunci când un corp se mișcă într-un lichid sau gaz. Mărimea forței de rezistență depinde de mărimea și forma corpului, de viteza de mișcare a acestuia și de proprietățile lichidului sau gazului. La viteze mici, forța de rezistență este proporțională cu viteza corpului

La viteze mari este proporțională cu pătratul vitezei

Luați în considerare atracția reciprocă a unui obiect și a Pământului. Între ele, conform legii gravitației, apare o forță

Acum să comparăm legea gravitației și forța gravitației

Valoarea accelerației în cădere liberă depinde de masa Pământului și de raza acestuia! Astfel, este posibil să se calculeze cu ce accelerație vor cădea obiectele de pe Lună sau de pe orice altă planetă, folosind masa și raza acelei planete.

Distanța de la centrul Pământului la poli este mai mică decât până la ecuator. Prin urmare, accelerația căderii libere la ecuator este puțin mai mică decât la poli. În același timp, trebuie remarcat faptul că principalul motiv al dependenței accelerației căderii libere de latitudinea zonei este faptul că Pământul se rotește în jurul axei sale.

Când se îndepărtează de suprafața Pământului, forța gravitației și accelerația căderii libere se modifică invers cu pătratul distanței până la centrul Pământului.

Forța care decurge din deformarea corpului și îndreptată în direcția opusă mișcării particulelor corpului în timpul deformării se numește forta de elasticitate.

În cursul elementar de fizică sunt luate în considerare deformațiile de tracțiune sau de compresiune. În aceste cazuri, forțele elastice sunt direcționate de-a lungul liniei de acțiune a forței externe, adică. de-a lungul axelor firelor, arcuri, tije etc. deformabile longitudinal sau perpendicular pe suprafețele corpurilor de contact.

Deformarea la tracțiune sau la compresiune se caracterizează prin alungirea absoluta: Unde x 0- lungimea inițială a probei, X- lungimea sa în stare deformată. Alungirea relativă a corpului se numește raport.

Se numește forța elastică care acționează asupra corpului din partea suportului sau suspensiei susține forța de reacție(suspensie) sau forța de tensionare a suspensiei.

Legea lui Hooke: Forță elastică care apare în corp când este deformată în tensiune sau compresiune, este proporțională cu alungirea absolută a corpului și este îndreptată opus direcției de mișcare a particulelor corpului față de alte particule în timpul deformării:

Aici X– alungirea corpului (primăvara) (m). Alungirea este pozitivă când corpul este întins și negativă când este comprimat.

Factorul de proporționalitate k numită rigiditatea corpului, depinde de materialul din care este realizat corpul, precum și de dimensiunile și forma geometrică a acestuia. Rigiditatea este exprimată în newtoni pe metru (N/m).

Forța elastică depinde numai de modificarea distanțelor dintre părțile care interacționează ale unui corp elastic dat. Lucrul forței elastice nu depinde de forma traiectoriei și este egal cu zero atunci când se deplasează pe o traiectorie închisă. Prin urmare, forțele elastice sunt forțe potențiale.

Continuăm trecerea în revistă a unor subiecte din secțiunea „Mecanica”. Întâlnirea noastră de astăzi este dedicată forței elasticității.

Această forță stă la baza funcționării ceasurilor mecanice, la care sunt expuse cablurile de remorcare și cablurile macaralelor, amortizoarele mașinilor și trenurilor. Este testat cu o minge și o minge de tenis, o rachetă și alte echipamente sportive. Cum apare această forță și ce legi se supune ea?

Cum se naște forța elasticității?

Un meteorit sub influența gravitației cade pe pământ și... îngheață. De ce? Dispare gravitația pământului? Nu. Puterea nu poate dispărea pur și simplu. În momentul contactului cu solul echilibrat de o altă forță egală cu ea ca mărime și opusă ca direcție.Și meteoritul, ca și alte corpuri de pe suprafața pământului, rămâne în repaus.

Această forță de echilibrare este forța elastică.

Aceleași forțe elastice apar în corp pentru toate tipurile de deformare:

• întindere;
• comprimare;
• forfecare;
• îndoire;
• torsiune.

Forțele rezultate din deformare se numesc elastice.

Natura forței elastice

Mecanismul apariției forțelor elastice a fost explicat abia în secolul al XX-lea, când a fost stabilită natura forțelor interacțiunii intermoleculare. Fizicienii i-au numit „uriași cu brațe scurte”. Care este sensul acestei comparații pline de spirit?

Forțele de atracție și repulsie acționează între molecule și atomii de materie. O astfel de interacțiune se datorează celor mai mici particule care fac parte din ele, purtând sarcini pozitive și negative. Aceste puteri sunt destul de mari.(de unde și cuvântul gigant), dar apar doar la distanțe foarte scurte.(cu bratele scurte). La distanțe egale cu de trei ori diametrul moleculei, aceste particule sunt atrase, „cu bucurie” repezindu-se una spre alta.

Dar, după ce s-au atins, încep să se respingă în mod activ unul pe celălalt.

Odată cu deformarea la tracțiune, distanța dintre molecule crește. Forțele intermoleculare tind să-l scurteze. Când sunt comprimate, moleculele se apropie una de cealaltă, ceea ce determină respingerea moleculelor.

Și, deoarece toate tipurile de deformații pot fi reduse la compresie și tensiune, apariția forțelor elastice pentru orice deformații poate fi explicată prin aceste considerații.

Legea lui Hooke

Un compatriot și contemporan a studiat forțele elasticității și relația lor cu alte mărimi fizice. Este considerat fondatorul fizicii experimentale.

Om de stiinta și-a continuat experimentele timp de aproximativ 20 de ani. A efectuat experimente cu privire la deformarea tensiunii arcurilor, agățate de ele diverse încărcături. Sarcina suspendată a făcut ca arcul să se întindă până când forța elastică care a apărut în el a echilibrat greutatea sarcinii.

Ca urmare a numeroaselor experimente, omul de știință concluzionează: forța externă aplicată provoacă apariția unei forțe elastice egale cu ea ca mărime, acționând în direcția opusă.

Legea formulată de el (legea lui Hooke) este următoarea:

Forța elastică rezultată din deformarea corpului este direct proporțională cu magnitudinea deformației și este îndreptată în direcția opusă mișcării particulelor.

Formula pentru legea lui Hooke este:

• F este modulul, adică valoarea numerică a forței elastice;
• x - modificarea lungimii corpului;
• k - coeficient de rigiditate, în funcție de forma, dimensiunea și materialul corpului.

Semnul minus indică faptul că forța elastică este îndreptată în direcția opusă deplasării particulei.

Fiecare lege fizică are limitele ei de aplicare. Legea stabilită de Hooke poate fi aplicată doar deformațiilor elastice, atunci când, după îndepărtarea sarcinii, forma și dimensiunile corpului sunt complet refăcute.

În corpurile din plastic (plastilină, argilă umedă) nu are loc o astfel de restaurare.

Toate solidele au elasticitate într-o anumită măsură. Primul loc în elasticitate este ocupat de cauciuc, al doilea -. Chiar și materialele foarte elastice sub anumite sarcini pot prezenta proprietăți plastice. Acesta este utilizat pentru fabricarea de sârmă, tăind părți de formă complexă cu ștampile speciale.

Dacă aveți un cântar de bucătărie de mână (oțel), atunci greutatea maximă pentru care sunt concepute este probabil scrisă pe ele. Să zicem 2 kg. Atunci când atârnați o sarcină mai grea, arcul de oțel din interiorul lor nu își va recupera niciodată forma.

Lucrul forței elastice

Ca orice forță, forța elasticității, capabil să facă treaba.Și foarte util. Ea este protejează corpul deformabil de distrugere. Dacă ea nu face față acestui lucru, are loc distrugerea corpului. De exemplu, un cablu de macara se rupe, o coardă pe o chitară, o bandă elastică pe o praștie, un arc pe o cântar. Acest lucru are întotdeauna un semn minus, deoarece forța elastică în sine este, de asemenea, negativă.

În loc de o postfață

Înarmați cu câteva informații despre forțele elastice și deformații, putem răspunde cu ușurință la câteva întrebări. De exemplu, de ce oasele umane mari au o structură tubulară?

Îndoiți o riglă din metal sau lemn. Partea sa convexă va suferi deformare la tracțiune, iar partea concavă va experimenta comprimare. Partea de mijloc a încărcăturii nu transportă. Natura a profitat de această împrejurare, furnizând omului și animalelor oase tubulare. În procesul de mișcare, oasele, mușchii și tendoanele suferă tot felul de deformări. Structura tubulară a oaselor facilitează foarte mult greutatea acestora, fără a le afecta deloc rezistența.

Tulpinile culturilor de cereale au aceeași structură. Rafalele de vânt le îndoaie spre pământ, iar forțele elastice ajută la îndreptare. Apropo, și cadrul bicicletei este făcut din tuburi, nu tije: greutatea este mult mai mică și metalul se economisește.

Legea stabilită de Robert Hooke a servit drept bază pentru crearea teoriei elasticității. Calculele efectuate după formulele acestei teorii permit asigura durabilitatea structurilor înalte și a altor structuri.

Dacă acest mesaj ți-a fost de folos, m-aș bucura să te văd