Полезное применение силы упругости. Сила упругости

Что такое сила упругости?

Силой упругости называют такую силу, которая возникает через деформации тела и направленная в сторону, противоположную перемещениям частиц тела при деформации.

Для более наглядного примера, чтобы лучше понять, что такое сила упругости, возьмем яркий пример из повседневной жизни. Представьте, что перед вами обычная бельевая веревка, на которую вы повесили мокрое белье. Если на хорошо натянутую горизонтально веревку мы повесим мокрое белье, то увидим, как под весом вещей эта веревка начинает прогибаться и растягиваться.

Вначале мы с вами вешаем на веревку одну мокрую вещь и видим, как она вместе с веревкой прогибается к земле, а потом останавливается. Затем мы вешаем следующую вещь и видим, что повторяется такое же действие и веревка прогибается еще больше.

В этом случае напрашивается вывод, что при увеличении силы, которая воздействует на веревку, будет происходить деформация, пока силы противодействия этой деформации не будут равны весу всех вещей. И только после этого движение вниз прекратится.

Следует отметить, что работа силы упругости заключается в сохранении целостности предметов, на которые мы воздействуем другими предметами. Если силы упругости не способны с этим справиться, то тогда тело деформируется безвозвратно, то есть веревка может просто порваться.

И здесь напрашивается риторический вопрос. В какой момент возникла сила упругости? А возникает она тогда, когда мы только начинаем вешать белье, то есть в момент первоначального воздействия на тело. И когда белье высохло, и мы его снимаем, то сила упругости исчезает.

Разновидности деформаций

Теперь нам уже известно, что сила упругости появляется в результате деформации.

Давайте вспомним, что такое деформация? Деформацией называют изменение объема или формы тела под действием внешних сил.

А причиной возникновения деформации является то, что разчные части тела движутся не одинаково, а по-разному. При одинаковом движении тело постоянно имело бы свою первоначальную форму и размеры, то есть оно бы не деформировалось.

Давайте рассмотрим вопрос о там, какие разновидности деформации мы можем наблюдать.

Виды деформации можно разделить по характеру изменения их формы.

К тому же, деформация делится на два типа. В этом случае деформация может быть упругой или пластической деформацию.

Если, к примеру, взять и растянуть пружину, а потом ее отпустить, то после такой деформации пружина восстановит свои прежние размеры и форму. Это и будет примером упругой деформации.

То есть, если мы видим, что после прекращения действия на тело деформация полностью исчезает, то такая деформация является упругой.

А теперь наведем другой пример. Давайте возьмем кусочек пластилина и сожмем его или слепим какую-нибудь фигурку. Мы с вами видим, что даже после прекращения действия пластилин не изменил форму, то есть остался деформированным. Такая неупругая деформация и является пластической.

При пластической деформации она сохраняется даже тогда, когда на нее перестают действовать внешние силы.

Такой вид деформации используют помимо лепки из глины или пластилина и при технических процессах ковки и штамповки.

Задание: Опишите, какие виды деформации вы видите на изображении?

Сила упругости и закон Гука

От величины деформации, которой подвергается какое-либо тело, зависит и величина силы упругости. Следовательно, деформация и сила упругости находятся в тесной взаимосвязи. Если подверглась изменениям одна величина, то значит, появились изменения и в другой.

Поэтому, если нам известна деформация тела, то мы можем просчитать силу упругости, которая возникла в этом теле. И наоборот, если мы знаем силу упругости, то можем легко определить степень деформации тела.

Когда, например, взять пружину и к ней подвесить одинаковой массы гирьки, то можно увидеть, что с каждым последующим подвешенным грузом, все сильнее растягивается пружина. И замете, что чем больше эта пружина деформируется, тем больше становится сила упругости.

А если учесть то, что гирьки имеют одинаковую массу, то подвешивая их поочередно, можно заметить, что с каждым новым подвешиванием увеличивается длина пружины ровно на такую же величину.

Чтобы найти соотношение между силой упругости и деформацией упругого тела, нужно воспользоваться формулой, которая была открыта известным английским ученым Робертом Гуком.

Ученый установил простую связь между увеличением длины тела и силой упругости, которая была вызвана этим удлинением.

В этой формуле дельта обозначает изменения, которые происходят с величиной.

Закон Гука утверждает, что при малых деформациях сила упругости прямо пропорциональна удлинению тела.

То есть, чем больше появляется деформация, тем большую силу упругости мы можем наблюдать.

Но необходимо также отметить, что закон Гука справедлив лишь там, где присутствует упругая деформация.

Сила упругости в природе

Сила упругости довольно значимую роль играет и в природе. Ведь только благодаря этой силе, ткани растений, животных и человека способны выдерживать огромные нагрузки и при этом не сломаться и не разрушиться.

Вы, наверное, не раз наблюдали такую картину, как под порывом ветра сгибаются растения или под тяжестью снега прогибаются ветки деревьев, а в результате действия силы упругости возвращаются в свою предыдущую форму.

Также, каждый из вас мог наблюдать, как под натиском сильного ураганного ветра, ломались ветки деревьев. А такой итог мы можем наблюдать тогда, когда действие силы ветра превышает силы упругости самого дерева.

Все находящиеся на Земле тела способны выдерживать силу атмосферного давления только благодаря силе упругости. Обитатели глубоких водоемов способны выдерживать еще большую нагрузку. Поэтому можно прийти к закономерному выводу, что только благодаря силе упругости, все живые организмы в природе имеют возможность не только переносить механические нагрузки, но и сохранить свою форму в целостности.

Сидящие на ветках деревьев стайки птиц, весящие на кустах грозди винограда, огромные шапки снега на еловых лапах – это наглядная демонстрация сил упругости в природе.

Знаменитый закон Гука применяется практически во всех сферах нашей жизни. Без него никак нельзя обойтись ни в повседневном быту, ни в архитектуре. Этот закон используют при строительстве домов и автомобилей. Эго даже применяют в торговле.

Но, наверное, не каждый из вас мог себе представить, что сила упругости может быть применена и на арене цирка. Еще в позапрошлом веке в знаменитом цирке Франкони был продемонстрирован номер под названием «Человек- бомба».

Для этого, на арене цирка установили огромных размеров пушку, из которой произвели выстрел человеком. Зрители были шокированы этим номером, так как не подозревали, что выстрел был произведен не пороховыми газами, а с помощью пружины. В стволе пушки поместили мощную упругую пружину и после команды «пли!» из дула пружина выбрасывала на арену артистку. Ну, а грохот, дым и огонь только усиливали эффект этого номера и наводили ужас на зрителей.

Предмети > Физика > Физика 7 класс

По физической природе силы упругости ближе к силам трения, чем к силам гравитации, так как они вызваны взаимодействием заряженных частиц, которые являются основой всех тел.

Однако силы упругости определяют только взаимное расположение воздействующих друг на друга тел и появляются только при деформации, тогда как силы трения скольжения возникают при относительном движении тел.

На расстояниях около диаметра молекулы силы притяжения между молекулами компенсированы силами отталкивания, то есть равнодействующая сил притяжения и отталкивания равна нулю. Если тело растягивать, то расстояние между молекулами увеличивается, при этом силы притяжения между молекулами становятся больше по величине, чем силы отталкивания. В теле появляются силы, которые препятствуют растяжению тела. При сжимании тела расстояние между молекулами уменьшается. Силы отталкивания становятся по модулю больше, чем силы притяжения, так возникают силы, противостоящие такого рода деформации тела.

Так, при деформации тел появляются силы электромагнитной природы, которые препятствуют изменению размеров тела, это так называемые силы упругости.

Деформация тела

Определение

Деформацией тела называют изменение размеров или формы тела. Виды деформаций: растяжение, сжатие, сдвиг, изгиб, кручение. Деформации тела возникают при перемещении одних частей тела по отношению к другим.

Силы упругости возникают только при деформациях. Величина силы упругости зависит от размера деформации. Силы упругости направлены против направления смещения частей тела при его деформации.

Для твердых тел выделяют два предельных вида деформации: упругие деформации и пластические. Если после прекращения действия деформирующей силы тело полностью восстанавливает свои размеры и форму, то такой вид деформации называют упругой. Для упругих деформаций существует однозначная зависимость между величиной деформации и деформирующей силой. Если после снятия деформирующей силы тело не восстанавливает (или восстанавливает не полностью) свои размер и форму, то такие деформации называют пластическими.

Определение силы упругости

Определение

Силой упругости (${\overline{F}}_{upr}$) называют силу, которая действует со стороны тела подвергшегося деформации, на касающиеся его тела. Данная сила направлена в сторону, противоположную смещению частей тела в состоянии деформации.

Силы упругости зависят от расположения тел при их взаимодействии и возникают только при деформациях тел.

Силы упругости направлены перпендикулярно к поверхности соприкосновения взаимодействующих тел. Исключение составляет деформация сдвига, при такой деформации сила упругости имеет касательную составляющую.

Силы упругости играют важную роль в проблемах механического равновесия, в том случае, если модели недеформируемого тела не достаточно.

Силы упругости являются частой причиной возникновения механических колебаний. При упругой деформации появляются силы, которые стремятся вернуть тело в положение равновесия. Если тело вывели из состояния равновесия и предоставили самому себе, то под воздействием си упругости появляется движение этого тела к положению равновесия. В результате существования инерции тело проходит положение равновесия и тогда возникает деформация противоположного знака, при этом процесс повторяется.

Закон Гука

Эксперименты показывают, что почти у всех твердых тел при небольших упругих деформациях размер деформации пропорционален деформирующей силе. Эта зависимость была установлена английским ученым Р. Гуком. Закон упругой деформации носит имя своего первооткрывателя. При больших деформациях связь между величиной деформации и деформирующей силой становится неоднозначной и точно нелинейной, упругая деформация превращается в пластическую.

Закон Гука утверждает, что при малых упругих деформациях величина деформации пропорциональна силе ее вызывающей. Закон Гука справедлив при видах упругой деформации (растяжения, сжатия, сдвига, кручения, изгиба).

Например, деформацию растяжения (сжатия) характеризуют с помощью такой величины как абсолютное удлинение: ($\Delta l=\left|l-l_0\right|$, где $l_0$ - длина недеформированного стержня). Тогда закон Гука для силы упругости записывают как:

где $k$ - коэффициент упругости, $\left=\frac{Н}{м}$. Коэффициент упругости зависит от материала тела, его размеров и формы.

Закон Гука выполняется с хорошей точностью для деформаций, появляющихся в стержнях из стали, чугуна, и других твердых веществ, в пружинах.

Для всяких упругих деформаций можно ввести постоянные, которые характеризуют упругие свойства только материала и не зависят от размеров тела. Например, модуль Юнга ($E$) для изотропного тела является характеристикой упругих свойств. Модуль Юнга равен механическому напряжению ($\sigma =\frac{F}{S},\ где\ F-\ $деформирующая сила или сила, возникающая в теле при деформации; $S$ - площадь), при котором относительное удлинение ($\frac{\Delta l}{l_0}$) равно единице при упругой деформации:

\[\frac{\Delta l}{l_0}=\frac{1}{E}\sigma \left(2\right).\]

Значение модуля Юнга определяют эмпирически.

Если деформации тела малы, то силы упругости можно определять по ускорению, которое данные силы сообщают телам. Если тело неподвижно, то модуль силы упругости находят из равенства нулю векторной суммы сил, которые действуют на тело.

Так, будет деформация упругой или пластической зависит не только от материала тела, но и от величины приложенной нагрузки. Упругие деформации много применяют, например, в амортизационных устройствах: рессорах, пружинах и т.д. На основе пластической деформации базируется разные виды холодной обработки металлов: прокатка, ковка и т.д.

Примеры задач на силу упругости и закон Гука

Пример 1

Задание: На проволоке, диаметр которой равен $d,$ висит груз (рис.1). Масса груза равна $m$. Каково натяжение материала ($\sigma $) у нижнего конца проволоки?

Решение: Сделаем рисунок.

Напряжение материала проволоки найдем, используя определение величины $\sigma $:

\[\sigma =\frac{F}{S}\left(1.1\right),\]

где $F$ - сила, деформирующая проволоку; $S=\frac{\pi d^2}{4}$ - площадь поперечного сечения проволоки. Силу $F$ найдем, используя третий закон Ньютона, согласно которому, сила $F$ приложенная к проволоке и растягивающая ее будет равна силе упругости, которая действует на груз и не дает ему падать под воздействием силы тяжести:

\[\overline{F}=-{\overline{F}}_u\left(1.2\right).\]

Величину силы упругости найдем, рассматривая рис.1 и силы, действующие на груз, висящий на проволоке в состоянии равновесия. Запишем второй закон Ньютона:

Из проекции уравнения (1.2) на ось Y получим:

Тогда из формул (1.1), (1.2) и (1.4) имеем:

\[\sigma =\frac{mg}{S}=\frac{4mg}{\pi d^2\ }(\frac{Н}{м^2}).\]

Ответ: $\sigma =\frac{4mg}{\pi d^2}\frac{Н}{м^2}$

Пример 2

Задание: Какова работа, совершенная при сжатии пружины на величину $\Delta l$ (изменение длины пружины), если жесткость пружины равна $k$, а деформация является упругой?\textit{}

Если деформация упругая, то по закону Гука деформирующая сила (сила сжатия) равна:

Работу найдем, используя ее определение:

Сила и перемещение сонаправлены, поэтому можно от произведения векторов в подынтегральном выражении перейти к произведению модулей соответствующих проекций на ось X:

Ответ: $A=\frac{k\Delta l^2}{2}$

В природе все взаимосвязано и непрерывно взаимодействует друг с другом. Каждая ее часть, каждый ее компонент и элемент постоянно подвергается воздействию целого комплекса сил.

Несмотря на то, что количество достаточно велико, все их можно разделить на четыре типа:

1. Силы гравитационного характера.

2. Силы электромагнитного характера.

3. Силы сильного типа.

В физике есть такое понятие, как упругая деформация. Упругая деформация - это такое явление деформации, при котором она исчезает после того, как прекращают действовать внешние силы. После такой деформации тело принимает свою изначальную форму. Таким образом, сила упругости, определение которой говорит, что она возникает в теле после упругой деформации, является потенциальной силой. Потенциальная сила, или консервативная сила - это такая сила, у которой ее работа не может быть зависимой от ее траектории, а зависит только от начальной и конечной точки приложения сил. Работа консервативной или потенциальной силы по замкнутой траектории будет равна нулю.

Можно сказать, что сила упругости имеет электромагнитную природу. Эту силу можно оценить как макроскопическое проявление взаимодействия между молекулами вещества или тела. В любом случае, при котором происходит либо сжатие, либо растяжение тела, проявляется сила упругости. Она направлена против силы, производящей деформацию, в направлении, противоположном смещению частиц данного тела, и перпендикулярна поверхности тела, подвергающегося деформации. Также и вектор этой силы направлен в сторону, противоположную деформации тела (смещению его молекул).

Вычисление значения силы упругости, возникающей в теле при деформации, происходит по Согласно ему, сила упругости равна произведению жесткости тела на изменение коэффициента деформации этого тела. По закону Гука, возникающая при определенной деформации тела или вещества сила упругости прямо пропорциональна удлинению этого тела, а направлена она в сторону, противоположную направлению, по которому перемещаются частицы данного тела относительно остальных частиц в момент деформации.

Показатель жесткости определенного тела или пропорциональный коэффициент зависит от материала, который используется для изготовления тела. Также жесткость зависит от геометрических пропорций и формы данного тела. В отношении силы упругости существует еще такое понятие, как Таким напряжением называют отношение модуля силы упругости к единице площади в данной точке рассматриваемого сечения. Если связать закон Гука с напряжением этого типа, то его формулировка прозвучит несколько иначе. Напряжение механического типа, которое возникает в теле при его деформации, всегда пропорционально относительному удлинению этого тела. Необходимо иметь в виду, что действие закона Гука ограничено только небольшими деформациями. Существуют пределы деформации, при которых действует данный закон. Если же они будет превышены, то сила упругости будет вычисляться по сложным формулам вне зависимости от закона Гука.

На все тела, находящиеся вблизи Земли, действует ее притяжение. Под действием силы тяжести падают на Землю капли дождя, снежинки.

Но когда капли лежат на крыше, его притягивает Земля, однако он не проходит и не проваливается сквозь крышу, а остается в покое. Что препятствует его падению? Крыша. Она действует на капли с силой, равной силе тяжести, но направленной в противоположную сторону.

Рассмотрим один пример. Изображена доска, лежащая на двух подставках. Если на ее середину поместить тело, то под действием силы тяжести тело начнет продавливать доску, но через несколько минут, остановится. При этом сила тяжести станет уравновешенной силой, действующей на тело со стороны изогнутой доски и направленной вертикально вверх. Эта сила называется силой упругости.

Сила упругости возникает при деформации. Деформация - это изменение формы или размеров тела. Одним из видов деформации является изгиб. Чем больше прогибается опора, тем больше сила упругости, действующая со стороны этой опоры на тело. Перед тем как тело (гирю) положили на доску, эта сила отсутствовала. По мере движения гири, которая все сильнее и сильнее прогибала свою опору, возрастала и сила упругости. В момент остановки гири сила упругости достигла силы тяжести, и их равнодействующая стала равной нулю.

Если на опору поместить достаточно легкий предмет, то ее деформация может оказаться столь незначительной, что никакого изменения формы опоры мы не заметим. Но деформация все равно будет! А вместе с ней будет действовать и сила упругости, препятствующая падению тела, находящегося на данной опоре. В подобных случаях (когда деформация тела незаметна и изменением размеров опоры можно пренебречь) силу упругости называют силой реакции опоры.

Если вместо опоры использовать какой-либо подвес (нить, веревку, проволоку, стержень и т. д.), то прикрепленный к нему предмет также может удерживаться в покое. Сила тяжести и здесь будет уравновешена противоположно направленной силой упругости. Сила упругости при этом возникает из-за того, что подвес под действием прикрепленного к нему груза растягивается. Растяжение еще один вид деформации.

Большой вклад внес в изучение силы упругости ученый Р. Гук. Закон Гука гласит:

Сила упругости , возникающая при растяжении или сжатии тела, пропорциональна его удлинению.

Если удлинение тела, т.е. изменение его длины, обозначить через х, а силу упругости - через F(упр), то по закону Гука можно придать следующую математическую форму:

где k - коэффициент пропорциональности, называемый жесткостью тела. У каждого тела своя жесткость. Чем больше жесткость тела (пружины, проволоки, стержня и т. д.), тем меньше оно изменяет свою длину под действием данной силы.

Единицей жесткости в СИ является ньютон на метр (1 Н/м).

Нас окружает прекрасный мир – живая и неживая природа. Рукотворные и нерукотворные предметы материального мира существуют по законам природы и по своим собственным, присущим только данным предметам, закономерностям. Но в этом богатстве жизни одно свойство, общее для всех существ и объектов. Это – прочность, то есть способность сохраняться длительное время, не поддаваясь разрушению. Чтобы продолжить разговор о прочности, изучим и повторим некоторые физические понятия.

Как известно, условие возникновения силы упругости – это наличие деформации тела, то есть изменения его размеров или формы под действием внешних сил. Человеческое тело испытывает достаточно большую нагрузку от собственного веса и от усилий, прикладываемых во время различных действий, поэтому на примере тела человека можно проследить все виды деформаций.

Деформацию сжатия испытывают позвоночник и ноги. Деформацию растяжения – руки и все связки, сухожилия, мышцы. Деформацию изгиба – кости таза, позвоночник, конечности. Деформациию кручения – шея при повороте, кисти рук при вращении. Мышечные связки, лёгкие и некоторые другие органы обладают большой эластичностью, например, затылочная связка может быть растянута более чем вдвое.

Механическое напряжение – это сила упругости, действующая на единицу площади поперечного сечения тела (см. левую формулу). Если деформация является упругой, то механическое напряжение прямо пропорционально относительному удлинению тела (см. правую формулу).

Коффициентом пропорциональности служит так называемый модуль Юнга, который измеряется в ньютонах на квадратный метр (то есть паскалях) и обозначается символом E. Значение модуля Юнга показывает механическое напряжение, которое необходимо приложить к телу, чтобы удлинить его в 2 раза. Для различных материалов модуль Юнга меняется в широких пределах. Для стали, например, E=2·10 11 Н/м 2 , а для резины E=2·10 6 Н/м 2 . Для хрящевой ткани человека E=2·10 8 Н/м 2 .

Предельное напряжение, разрушающее кость плеча, около 8·10 8 Н/м 2 , предельное напряжение, разрушающее кость бедра, около 13·10 8 Н/м 2 . Сечение бедренной кости человека в средней её части напоминает пустотелый цилиндр, внешним радиусом 11 мм и внутренним 5 мм. Предел прочности костной ткани на сжатие равен 1,7·10 8 Н/м 2 . Разрушить её может только груз массой более 5 тонн!

Природа наделила человека и животных трубчатыми костями и сделала стебли злаков трубчатыми, сочетая экономию материала с прочностью и лёгкостью «конструкций». Под воздействием порыва ветра стебель здорового растения изгибается. Если при порыве ветра величины механических напряжений, возникших в стебле, не превышают критической величины, то после порыва ветра стебель выпрямляется. Если же при порыве ветра величины механических напряжений превысят критическую величину, то стебель не выпрямится и безвозвратно сместится от вертикального положения, то есть поляжет.