| |
Вблизи поверхности Земли на любое тело действует сила тяжести, но большинство окружающих нас тел не падают с ускорением, а находятся в состоянии покоя. Неподвижно лежит книга на столе, неподвижно стоящем на полу. Если книга на столе лежит неподвижно, то это значит, что кроме силы тяжести на нее действуют и другие силы, и равнодействующая всех сил равна нулю. Что же это за силы и как они возникают?
Проведем такой опыт. Положим стальную линейку на лапки штативов так, чтобы она лежала горизонтально. Напротив середины стальной линейки поставим демонстрационную линейку и отметим на ее шкале начальное положение стальной линейки. Поставим на середину стальной линейки или подвесим к ней небольшую гирю. Мы увидим, что линейка несколько прогнулась. Неподвижность гири свидетельствует о том, что сила тяжести, действующая на нее со стороны Земли, уравновешена равной ей по модулю и противоположно направленной силой, возникающей при деформации линейки. Силу, возникающую в результате деформации тела и направленную в сторону, противоположную перемещению частиц тела при деформации, называют силой упругости.
Чтобы резиновый шнур или пружина действовали на наши руки, эти тела предварительно нужно растянуть, то есть деформировать. Без этого никакая упругая сила не возникнет. Чтобы лук выбросил стрелу или пружинная сетка батута подбросила акробата, лук
или сетку сначала необходимо деформировать. Все твердые тела под действием внешних сил способны деформироваться, то есть минять свою форму или объем. При попытке деформировать такие тела в них возникают силы упругости, исчезающие при прекращении деформации.
Жидкости не способны сохранять свою форму. В этом вы можете убедиться, наливая воду из графина в стакан. Но если, однако, попытаться сжать воду хотя бы внутри камеры футбольного мяча или велосипедного насоса, сила упругости мгновенно возникнет.
Точно так же сила упругости возникает при сжатии в камере и в насосе воздуха. Но для увеличения объема газа никаких усилий не нужно. Например, из футбольной камеры воздух выходит сам.
Таким образом, упругие силы возникают всегда при попытке изменить объем или форму твердого тела, объем жидкости, а также при сжатии, газов. Деформация, тела, как легко заметить, возникает только в том случае, когда разные части тела претерпевают различные перемещения. Например, когда вы растягиваете резиновый шнур, разные era частн перемещаются наразные расстояния. Больше всегосмещаются концы шнура, а его середина вообще остается на месте.
В реяультате шнур оказывается деформированным, и в нём возникают силы упругости.
Существует много разных видов упругих деформаций однако оказывается, что любую (даже очень сложную) упругую деформацию можно вести к совокупности простых деформаций: растяжению (или сжатию) или сдвигу. При любой деформации в теле возникают упругие силы.
При малых деформациях тел существует очень простая связь между деформацией и силой упругости. Эту связь экспериментально установил английский физик Роберт Гук(1635—1703). Этот закон в честь ученого назван законом Гука.
Закон Гука для упругой деформации растяжения нетрудно установить, наблюдая растяжение резинового шнура под действием приложенной к еге концу силы. Пусть в нерастянутом состоянии длина шнура равна l0. Под действием приложенной ж нему силы, равной весу поставленных на чашку гирек, длина шнура станет l При этом сила упругости растянутого шнура уравновесит приложенную к нему внешннюю силу. Обозначим удлинение через ˆl:
ˆl=l-l0
Изменяя количество гирек, можно установить, что сила упругости прямо пропорциональна изменению длины шнура:
F=-kˆl
В этом и заключается суть закона Гука. Коэффициент пропорциональности k называют жесткостью упругого тела. Именно жесткостью отличаются друг от друга упругие тела. У одних тел жесткость большая, у других — незначительная. Понятно, что одна и та же сила упругости возникает при малой деформации тела с большой жесткостью и при большой деформации тела с малой жесткостью.
Жесткость тела зависит от формы и размеров тела, а также от материала, из которого оно изготовлено. Жесткость в СИ выражается в ньютонах на метр (Н/м). Знак минус в формуле показывает, что сила упругости направлена в сторону, противоположную деформации.
Все сказанное о законе Гука касается не только пружины, но и любых упругих тел — стержней, нитей и т. д. В частности, аналогичная закономерность наблюдается при растягивании стержней из стали, алюминия, чугуна и других твердых упругих тел. Причем и при сжатии стержней уменьшение их длины также пропорционально приложенной силе. При изменении знака (направления) силы прирост длины стержня также изменяет знак.
Закон Гука хорошо выполняется только при малых деформациях. При больших деформациях нарушаетсяпрямая пропорциональность между изменением длины и приложенной силой, а при больших деформациях тело разрушается.
Так опытным путем можно установить зависимость одной из сил природы, а именно силы упругости, от положения (координаты) тела.
|
|
|
