Что является причиной возникновения силы упругости. Пластическая деформация

Под внешним воздействием тела могут деформироваться.

Деформация - изменение формы и размеров тела. Причина деформации заключается в том, что различные части тела совершают неодинаковые перемещения при действии на тело внешних сил.

Деформации, которые полностью исчезают после прекращения действия силы, - упругие , которые не исчезают, - пластические .

При упругих деформациях происходит изменение расстояния между частицами тела. В недеформированном теле частицы находятся в определенных положениях равновесия (расстояния между выделенными частицами - см. рис. 1, б), в которых силы отталкивания и притяжения, действующие со стороны других частиц, равны. При изменении расстояния между частицами одна из этих сил начинает превышать другую. В результате возникает равнодействующая этих сил, стремящаяся вернуть частицу в прежнее положение равновесия. Равнодействующая сил, действующих на все частицы деформированного тела, и есть наблюдаемая на практике сила упругости. Таким образом, следствием упругой деформации является возникновение упругих сил.

При пластической деформации , как показали наблюдения, смещения частиц в кристалле имеют совсем другой характер, чем при упругой. При пластической деформации кристалла происходит соскальзывание слоев кристалла относительно друг друга (рис. 1, а, б). Это можно увидеть с помощью микроскопа: гладкая поверхность кристаллического стержня после пластической деформации становится шероховатой. Соскальзывание происходит вдоль слоев, в которых больше всего атомов (рис. 2).

При таких смещениях частиц тело оказывается деформированным, но на смещенные частицы при этом не действуют "возвращающие" силы, так как у каждого атома в его новом положении такие же соседи и в таком же числе, как и до смещения.

При расчете конструкций, машин, станков, тех или иных сооружений, при обработке различных материалов важно знать, как будет деформироваться та или иная деталь под действием нагрузки, при каких условиях ее деформация не будет влиять на работу машин в целом, при каких нагрузках наступает разрушение деталей и т.д.

Деформации могут быть очень сложными. Но их можно свести к двум видам: растяжению (сжатию) и сдвигу.

Линейная деформация возникает при приложении силы вдоль оси стержня, закрепленного с одного конца (рис. 3, а, б). При линейных деформациях слои тела остаются параллельными друг другу, но изменяются расстояния между ними. Линейную деформацию характеризуют абсолютным и относительным удлинением.

Абсолютное удлинение , где l - длина деформированного тела, - длина тела в недеформированном состоянии.

Относительное удлинение - отношение абсолютного удлинения к длине недеформированного тела.

На практике растяжение испытывают тросы подъемных кранов, канатных дорог, буксирные тросы, струны музыкальных инструментов. Сжатию подвергаются колонны, стены и фундаменты зданий и т.д.

Возникает под действием сил, приложенных к двум противоположным граням тела так, как показано на рисунке 4. Эти силы вызывают смещение слоев тела, параллельных направлению сил. Расстояние между слоями не изменяется. Любой прямоугольный параллелепипед, мысленно выделенный в теле, превращается в наклонный.

Мерой деформации сдвига является угол сдвига - угол наклона вертикальных граней (рис. 5).

Деформацию сдвига испытывают, например, заклепки и болты, соединяющие металлические конструкции. Сдвиг при больших углах приводит к разрушению тела - срезу. Срез происходит при работе ножниц, пилы и др.

Деформации изгиба подвергается балка, закрепленная с одного конца или закрепленная с двух концов, к середине которой подвешен груз (рис. 6). Деформация изгиба характеризуется стрелой прогиба h - смещением середины балки (или его конца). При изгибе выпуклые части тел испытывают растяжение, а вогнутые - сжатие, средние части тела практически не деформируются - нейтральный слой . Наличие среднего слоя практически не влияет на сопротивляемость тела изгибу, поэтому такие детали выгодно делать полыми (экономия материала и значительное снижение их массы). В современной технике широко используются полые балки, трубки. У человека кости тоже трубчатые.

Деформацию кручения можно наблюдать, если на стержень, один конец которого закреплен, действует пара сил (рис. 7), лежащих в плоскости, перпендикулярной оси стержня. При кручении отдельные слои тела остаются параллельными, но поворачиваются друг относительно друга на некоторый угол. Деформация кручения представляет собой неравномерный сдвиг. Деформации кручения возникают при завинчивании гаек, при работе валов машин.

Если на середину доски, лежащей горизонтально на двух опорах поставить груз, то под действием силы тяжести некоторое время груз будет двигаться вниз, прогибая доску, а затем остановится.

Эту остановку можно объяснить тем, что кроме силы тяжести, направленной вниз, на доску подействовала другая сила, направленная вверх. При движении вниз доска деформируется, при этом возникает сила, с которой опора действует на тело, лежащее на ней, эта сила направленна вверх, то есть в сторону, противоположную силе тяжести. Такую силу называют силой упругости . Когда сила упругости становится равной силе тяжести, действующей на тело, опора и тело останавливаются.

Сила упругости — это сила, возникающая при деформации тела (то есть при изменении его формы, размеров) и всегда направлена в сторону, противоположную деформирующей силы.

Причина возникновения силы упругости

Причиной возникновения сил упругости является взаимодействие молекул тела . На малых расстояниях молекулы отталкиваются, а на больших – притягиваются. Конечно речь идёт о расстояниях сравнимых с размерами самих молекул.

В недеформированном теле молекулы находятся на таком расстоянии, при котором силы притяжения и отталкивания уравновешиваются. При деформации тела (при растяжении или сжатии) расстояния между молекулами изменяются – начинают преобладать либо силы притяжения, либо – отталкивания. В результате и возникает сила упругости, которая всегда направлена так, чтобы уменьшить величину деформации тела .

Закон Гука

Если к пружине повесить одну гирьку, то мы увидим, что пружина деформировалась — удлинилась на некоторую величину х . Если к пружине подвесить две одинаковые гирьки, то увидим, что удлинение стало в два раза больше. Удлинение пружины пропорционально силе упругости.

Сила упругости, возникающая при деформации тела, по модулю пропорциональна удлинению тела и направлена так, что стремится уменьшить величину деформации тела.

Закон Гука справедлив только для упругих деформаций, то есть таких видов деформации, которые исчезают, когда деформирующая сила перестаёт действовать!!!

Закон Гука можно записать в виде формулы:

где k — жёсткость пружины;
х — удлинение пружины (равно разнице конечной и начальной длине пружины);
знак «–» показывает, что сила упругости всегда направлена в противоположную сторону деформирующей силы.

«Разновидности» силы упругости

Силу упругости, которая действует со стороны опоры, называют силой нормальной реакции опоры . Нормальная от слова «нормаль», то есть реакция опоры всегда перпендикулярна поверхности.

Силу упругости, которая действует со стороны подвеса, называют силой натяжения нити (подвеса) .

Деформации разделяют на обратимые (упругие) и необратимые (неупругие, пластические, ползучести). Упругие деформации исчезают после окончания действия приложенных сил, а необратимые - остаются. В основе упругих деформаций лежат обратимые смещения атомов тела от положения равновесия (другими словами, атомы не выходят за пределы межатомных связей); в основе необратимых - необратимые перемещения атомов на значительные расстояния от исходных положений равновесия (то есть выход за рамки межатомных связей, после снятия нагрузки переориентация в новое равновесное положение).

Пластические деформации - это необратимые деформации, вызванные изменением напряжений. Деформации ползучести - это необратимые деформации, происходящие с течением времени. Способность веществ пластически деформироваться называется пластичностью . При пластической деформации металла одновременно с изменением формы меняется ряд свойств - в частности, при холодном деформировании повышается прочность .

Энциклопедичный YouTube

1 / 3

✪ Урок 208. Деформация твердых тел. Классификация видов деформации

✪ Деформация и силы упругости. Закон Гука | Физика 10 класс #14 | Инфоурок

✪ Деформация

Субтитры

Виды деформации

Наиболее простые виды деформации тела в целом:

В большинстве практических случаев наблюдаемая деформация представляет собой совмещение нескольких одновременных простых деформаций. В конечном счёте, любую деформацию можно свести к двум наиболее простым: растяжению (или сжатию) и сдвигу .

Изучение деформации

Природа пластической деформации может быть различной в зависимости от температуры , продолжительности действия нагрузки или скорости деформации. При неизменной нагрузке, приложенной к телу, деформация изменяется со временем; это явление называется ползучестью . С возрастанием температуры скорость ползучести увеличивается. Частными случаями ползучести являются релаксация и упругое последействие . Одной из теорий, объясняющих механизм пластической деформации , является теория дислокаций в кристаллах .

Сплошность

В теории упругости и пластичности тела рассматриваются как «сплошные». Сплошность (то есть способность заполнять весь объём, занимаемый материалом тела, без всяких пустот) является одним из основных свойств, приписываемых реальным телам. Понятие сплошности относится также к элементарным объёмам, на которые можно мысленно разбить тело. Изменение расстояния между центрами каждых двух смежных бесконечно малых объёмов у тела, не испытывающего разрывов, должно быть малым по сравнению с исходной величиной этого расстояния.

Простейшая элементарная деформация

Простейшей элементарной деформацией (или относительной деформацией ) является относительное удлинение некоторого элемента:

На практике чаще встречаются малые деформации - такие, что ϵ ≪ 1 {\displaystyle \epsilon \ll 1} .

Тема: Деформация тела. Сила упругости.

Цель: Дать понятие о деформации тела, силе упругости, выяснить причины возникновения силы упругости, исследовать силу упругости.

План:

1. Постановка проблемного вопроса.

На середину линейки поставить груз.

? Что произошло с линейкой?
? Под действием какой силы прогнулась линейка?
?Почему линейка прогнулась, а дальше не прогибается?

Вывод: Кроме силы тяжести, направленной вниз, на доску действует сила, направленная вверх.

Учитель:

С явлением деформации и силой упругости мы знакомились в 5-ом классе.

Тема урока: Деформация тела. Сила упругости (Приложение 1, слайд 1).

Сегодня мы должны вспомнить, что такое деформация тела, сила упругости. Выяснить причины возникновения силы упругости, исследовать силу упругости.

2. Повторение изученного материала

1) Повторение основных понятий темы:
Физический диктант “Веришь, не веришь” (Приложение 1, слайд 2).

1. Сила - величина, характеризующая взаимодействие (да).
2. Сила характеризуется: величиной и точкой приложения силы (нет).
3. Ускорение тела прямо пропорционально его массе и обратно пропорционально его силе (нет).
4. За единицу силы принимают Ньютон - силу, которая у тела массой 1кг вызывает ускорение 1м/с2 (да).
5. Прибор для измерения силы – манометр (нет).

Класс работает с карточками «да», «нет» (Приложение 2).
2) Переведите (Приложение 1, слайд 3):

3. Изучение нового материала

1) Что такое деформация?

Деформация – это физическое явление, при котором изменяется форма или размеры тела.

?Какие виды деформации вы знаете?

Виды деформации (Приложение 1, слайд 4):

1. сдвиг
2. кручение
3. изгиб
4. сжатие
5. растяжение

Демонстрация видов деформации с помощью физической гармошки.

Закрепление:

2) Какая сила возникает при деформации тела?

Сила упругости – сила, возникающая при деформации тел.

?В чем причина возникновения силы упругости?

Учитель : Рассмотрим рисунок учебника 97 стр. 71 (А.Е. Гуревич «Физика 9»).

Силы притяжения и отталкивания, действующие между зарядами, компенсируют действие друг друга.

? Что происходит при деформации? (Рисунок 97 (б, в).)

Силы не компенсируют друг друга:
преобладают либо силы притяжения (б)
либо силы отталкивания (в)

Вывод : Сила упругости возникает в результате взаимодействия заряженных частиц (Приложение 1, слайд 6)

Сила упругости – электромагнитная сила.

3) Как направлена сила упругости?

Сила упругости всегда препятствует деформации тела и стремится восстановить его первоначальную форму.
Сила упругости направлена против деформации.

Закрепление:

Правильно ли расставлена сила упругости в приведенных примерах?

4) От чего зависит сила упругости?

Демонстрация: Установим зависимость силы упругости от удлинения тела (выполняется фронтально учениками у доски).

Данные эксперимента вносятся в таблицу, и по ним строится график.

где k- жесткость

Закон Гука: Сила упругости прямо пропорциональна удлинению тела до некоторого предельного значения (Приложение 1, слайд 7).

5) Выразите из формулы жесткость (Приложение 1, слайд 8):

Закрепление: По графикам определите, какое тело имеет наибольшую жесткость (Приложение 1, слайд 9).

6) От чего зависит жесткость (подвесов и опор)?

Демонстрация:

1. две резинки одинаковой длины, но разные по площади
2. две резинки разной длины
3. две резинки из разного материала

Вывод: Жесткость зависит от (Приложение 1, слайд 10):

1. длины;
2. площади поперечного сечения;
3. материла.

Общий вывод: Сила, возникающая в теле при его растяжении (сжатии), зависит от величины деформации и жесткости тела, то есть от его длины, площади поперечного сечения и материала, из которого изготовлено тело.

4. Закрепление:

1) Повторение основных понятий:

1. Что такое деформация?
2. Какие виды деформации вы знаете?
3. Дайте определение силы упругости?
4. Сформулируйте закон Гука?
5. От чего зависит жесткость?
6. Где в технике встречаемся с силой упругости?

2) Решаем задачу: «Сборник задач по физике» В.И. Лукашик, Е.В. Иванова стр.39 № 350.

3) Тест с взаимопроверкой (Приложение 2).

Главным отличием твердого тела от жидкостей и газов является его способность сохранять форму, если на тело не действуют слишком большие силы. Если попытаться деформировать твердое тело возникают силы упругости, которые препятствуют деформации.

Определения деформации твердого тела

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Деформацией называют внешнее механическое воздействие на тело, которое приводит к изменению его объема и (или) формы.

Деформация в твердом теле называется упругой, если она пропадает после того, как нагрузку с тела сняли.

Деформация называется пластической (остаточной), если после снятия нагрузки она не исчезает или исчезает не полностью.

Одни и те же тела могут быть упругими и пластичными, это зависит от характера деформации. Так при увеличении нагрузки свыше некоторого предела упругие деформации могут переходить в пластические.

Виды деформации твердых тел

Любые деформации твердого тела можно свести к двум типам: растяжению (сжатию) и сдвигу.

Один конец стержня закрепим, а к другому приложим силу , направленную вдоль его оси, в сторону от его конца. В таком случае стержень будет подвергнут деформации растяжения. Такую деформацию характеризуют при помощи абсолютного удлинения (), которое равно:

где - длина стержня до воздействия на него силы; l - длина растянутого стержня.

Часто применяют для характеристики деформации тела относительное удлинение ():

Если , то такая деформация считается малой. У большинства твердых тел при малых деформациях проявляются упругие свойства.

Если на стержень, конец которого закреплен воздействовать с силой вдоль его оси, но по направлению к концу стержня, то данное тело будет испытывать деформацию сжатия.

При растяжении считают, что title="Rendered by QuickLaTeX.com" height="16" width="47" style="vertical-align: -4px;"> при сжатии .

При деформации растяжения и сжатия площадь поперечного сечения тела изменяется. При растяжении уменьшается, при сжатии увеличивается. Однако, при небольших деформациях данным эффектом, обычно пренебрегают.

Деформацией сдвига называют такой вид деформации, при котором происходит взаимное смещение параллельных слоев материала под воздействием деформирующих сил. Рассмотрим параллелепипед из резины, закрепим его нижнее основание на горизонтальной поверхности. К верхней грани бруска приложим силу, параллельную верхней грани. При этом слои бруска сдвинутся, оставаясь параллельными, вертикальные грани параллелепипеда будут оставаться плоскими, отклонятся от вертикали на некоторый угол .

Закон Гука

При небольших деформациях растяжения (сжатия) между деформирующей силой (F) и абсолютным удлинением . Гуком была установлена связь:

где k - коэффициент упругости (жесткость).

Закон Гука часто записывают иначе. При этом вводится понятие напряжения ():

где S - площадь поперечного сечения тела (стержня). При небольших деформациях напряжение прямо пропорционально относительному удлинению:

где E - модуль упрости или модуль Юнга, который равен напряжению, появляющемуся в стержне, если его относительное удлинение равно единице (или при двойном удлинении длины тела). На практике кроме резины при упругой деформации двойного удлинения невозможно достичь, тело рвется. Модуль Юнга определяют при помощи выражения (5), в измерениях напряжения и относительного удлинения.

Коэффициент упругости и модуль Юнга связаны как:

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1

Задание	Стена высотой м построена из кирпича плотностью . Каково напряжение у основания этой стены?
Решение	В нашей задаче деформирующей силой являются сила тяжести, которая сжимает стену: Зная плотность кирпича, из которого сложена, стена массу найдем как: где S площадь основания стены. По определению напряжение () равно отношению величины силы деформации (F) к площади сечения деформируемого тела: Подставим вместо массы правую часть выражения (1.2), получим: Проведем вычисления:
Ответ	Па

ПРИМЕР 2