0 0 0
Личный кабинет Войти Регистрация
Уроки
Математика Алгебра Геометрия Физика Всеобщая история Русский язык Английский язык География Биология Обществознание ОГЭ
Тренажёры
Математика ЕГЭ Тренажёры для мозга

Сила упругости. Закон Гука

Содержание

    На все тела, которые находятся на Земле, действует сила тяжести. Все они стремятся под ее действием упасть вниз. Но не похоже, чтобы все в мире лежало на земле.

    На еду в вашей тарелке действует сила тяжести, но она же не проваливается сквозь тарелку. На учебник на вашей парте тоже действует сила тяжести. Но стол от этого не придавливается к полу.

    Значит, существует некая сила, уравновешивающая силу тяжести. На данном уроке мы узнаем, что же это за сила.

    Определение силы упругости

    Начнем с рассмотрения простого опыта (рисунок 1).

    Рисунок 1. Деформация горизонтально расположенной доски, на которую поместили груз.

    На два бруска положим доску. На доску поставим гирю. Мы увидим, что доска прогнется. Что же здесь происходит со стороны физики?

    На гирю действует сила тяжести, она начинает двигаться вниз и прогибает доску. Доска деформируется из-за взаимодействия с гирей. Значит, возникает еще одна сила, с которой доска в ответ действует на гирю. 

    Сила тяжести, действующая на гирю, направлена вертикально вниз, а другая сила направлена вертикально вверх. Поэтому она и уравновесила силу тяжести. Нашу искомую силу называют силой упругости.

    Сила упругости — это сила, возникающая в теле в результате его деформации и стремящаяся вернуть тело в исходное положение.

    Сила упругости  — векторная величина:

    • обозначается как $\vec{F}_{упр}$
    • ее модуль обозначается как $F_{упр}$

    В ситуации на рисунке 1, опора (доска) прогибается. Чем сильнее этот прогиб, тем больше сила упругости. Когда сила упругости и сила тяжести становятся равны, то опора и тело останавливаются. Так они приходят в равновесие.

    Деформация и ее виды

    Рассмотрим следующий случай (рисунок 2). Подвесим тело на нити.

    Тело, подвешенное на нити.
    Рисунок 2. Тело, подвешенное на нити

    В таких конструкциях нить часто называют подвесом. Когда мы подвесили тело, нить начала растягиваться — в ней возникла сила упругости.

    Чем больше нить растягивается, тем больше становится сила упругости. Как и в случае с опорой, как только сила упругости станет равной силе тяжести, растяжение прекратится. 

    Когда возникает сила упругости?
    Получается, что сила упругости возникает при деформации тел. Если исчезает деформация, то исчезает и сила упругости.

    Что называют деформацией тела?

    Деформация тела — это любое изменение его формы и размеров.

    Какие виды деформаций вы знаете?
    Иногда после таких взаимодействий тело, испытывающее деформацию, меняет свои форму и размеры — происходит неупругая (пластическая) деформация. А иногда возвращается в исходное состояние. Тогда деформация называется упругой (рисунок 3).

    Упругая и пластическая деформации.
    Рисунок 3. Упругая и пластическая деформации

    Дадим определения

    Упругая деформация — это деформация, при которой после прекращения воздействия деформирующей силы тело полностью восстановило свою форму и объем.

    Пластическая деформация — это деформация, сохраняющаяся после прекращения действия деформирующей силы.

    Упругая деформация бывает различных видов:

    1. Растяжения (рисунок 2)
    2. Сжатия (рисунок 4)
    Рисунок 4. Деформация сжатия пружины.
    Рисунок 4. Деформация сжатия пружины.
    1. Сдвига (при такой деформации нагрузка прикладывается параллельно основанию тела, и одна часть тела сдвигается относительно другой (рисунок 5));
    Рисунок 5. Деформация сдвига.
    1. Изгиба (рисунок 1);
    2. Кручения (рисунок 6).
    Деформация кручения
    Рисунок 6. Деформация кручения

    Примеры деформации разных видов

    1. Играем на гитаре — кратковременно растягиваем струны

    2. Садимся в автомобиль — пружины подвески сжимаются

    3. Сидим на тонкой доске — доска прогибается

    деформация изгиба пример

    4. Затягиваем шуруп — происходит кручение отвертки (хоть мы и не видим деформацию отвертки)

    5. Двигаем расшатанный стул — происходит сдвиг сиденья относительно пола

    Деформация сдвига пример

    Закон Гука

    От чего же зависит сила упругости? Роберт Гук, современник Ньютона, ответил на этот вопрос (рисунок 8).

    Рисунок 8. Английский физик и изобретатель Роберт Гук (1635-1703). Установил зависимость силы упругости от деформации тела

    Рассмотрим опыт, изображенный на рисунке 9. 

    Опыт на определение зависимости силы упругости от деформации тела.
    Рисунок 9. Опыт на определение зависимости силы упругости от деформации тела.

    У нас есть штатив, к которому мы прикрепим резиновый шнур. Измерим его длину и обозначим как $l_0$.

    Далее подвесим к шнуру чашку с гирей. Шнур удлинится. Снова измерим его длину — теперь она имеет значение $l$.

    Шнур изменил свою длину после наших действий. Это изменение (удлинение шнура) мы можем найти по формуле:
    $\Delta l = l- l_0$,
    где $\Delta l$ — изменение длины. Знак $\Delta$ (греческая буква “дельта”) используется как символ для обозначения изменения между значениями какой-либо величина.

    Если мы будем менять гири на чашке, то будет меняться длина шнура, то есть его удлинение (деформация) $\Delta l$.

    Так мы подошли к закону Гука. Как он формулируется?

    Изменение длины тела при растяжении или сжатии прямо пропорционально модулю силы упругости:
    $F_{упр} = k \Delta l$

    Здесь $\Delta l$ — изменение длины тела, $k$ — коэффициент пропорциональности, который называется жесткостью. Жесткость тела зависит от материала, формы и размеров тела.

    5
    5
    5Количество опыта, полученного за урок

    Оценить урок

    Спасибо, что помогаете нам стать лучше!

    Комментарии
    Получить ещё подсказку

    Трудности? Воспользуйтесь подсказкой

    Верно! Посмотрите пошаговое решение