Сила пружності
Си́ли пру́жності — сили, що виникають в тілі при його пружній деформації, викликані цією деформацією. Є окремим випадком потенційних сил. Наближено описуються законом Гука.
Історія вивчення сил пружності[ред. | ред. код]
Зважаючи на те, що пружні сили використовувались людиною досить давно (приклад: лук, катапульти для метання каменів і т. д.), першим до розуміння пружних сил і деформацій прийшов у 1660 Роберт Гук. У 1675 він сформулював своє відкриття дуже коротко, у вигляді латинського афоризму: «Ut tensio sic vis», зміст якого полягає в тому, що «який розтяг, така й сила». Але опублікував Гук не цю тезу, але анаграму: «ceiiinosssttuu». (Так тоді забезпечували пріоритет, не розкриваючи суті відкриття.)
Ймовірно, в цей час Гук вже розумів, що пружність — універсальна властивість твердих тіл, але вважав необхідним підтвердити свою упевненість експериментально. У 1678 вийшла книга Гука, присвячена пружності, де описувалися досліди, з яких випливає, що пружність є властивістю «металів, дерева, кам'яних порід, цеглини, волосся, рогу, шовку, кістки, м'яза, скла і т. п.». Там же була розшифрована анаграма. Дослідження Роберта Гука привели не лише до відкриття фундаментального закону пружності, але і до винаходу пружинних хронометрів (до того були тільки маятникові). Вивчаючи різні пружні тіла, Гук встановив, що «коефіцієнт пропорційності» (зокрема, жорсткість пружини) сильно залежить від форми й розмірів пружного тіла, хоча матеріал грає вирішальну роль.
Пройшло понад сто п'ятдесят років, протягом яких досліди з пружними матеріалами проводили Бойль, Кулон, Нав'є та інші фізики. Одним з основних дослідів стало розтягування зразка матеріалу у вигляді стрижня. Для порівняння результатів, отриманих в різних лабораторіях, треба було або використовувати завжди однакові зразки, або навчитися виключати вплив розмірів зразка. І в 1807 з'явилася книга Томаса Юнга, у якій було введено модуль пружності, як величину, що описує властивість пружності матеріалу незалежно від форми й розмірів зразка, що використовувався в досліді.
Природа сил пружності[ред. | ред. код]
При деформації тіл їх частинки зміщуються одна відносно іншої. Внаслідок цього змінюються відстані між атомами чи молекулами, з яких складаються тіла. Це приводить до зміни сил взаємодії між частинками. Якщо відстані між ними збільшуються (наприклад, при розтягуванні), то силою міжмолекулярної взаємодії є сила притягання. Якщо відстані між частинками зменшуються (наприклад, при стискуванні), то силою міжмолекулярної взаємодії є сила відштовхування. Тобто при деформації тіла у ньому виникають сили, що прагнуть повернути його у попередній стан. Ці сили і є силами пружності, а властивість називають пружністю.
Сили пружності, які діють всередині матеріалу стрижня при його розтягу, віднесені до площі перерізу стрижня, називають напруженням.
- — нормальне напруження, де сила пружності нормальна до поверхні поперечного перерізу стрижня.
Подібно до цього виникають і напруження стиску, коли під дією зовнішньої сили матеріал стискається.
Завдяки взаємодії частин тіла напруження передається всьому стрижню; для будь-якого його перерізу нормальне напруження — одна і та ж величина за умови однорідної деформації.
При деформації однорідного зсуву в тілі виникають тангенціальні напруження: сили пружності зрівноважують зовнішню тангенціальну силу .
- — тангенціальне напруження.
Напруження має зміст внутрішнього тиску і вимірюється як і тиск, в паскалях (в SI).
Закон Гука[ред. | ред. код]
Зокрема, при деформації розтягу або стиску довгого тонкого стрижня або пружини, загальна сила пружності, направлена вздовж осі стрижня (пружини), визначається формулою
- ,
де x — абсолютне видовження,
- F — сила пружності,
- k — коефіцієнт жорсткості. Жорсткість залежить від розмірів тіла, його форми й матеріалу, з якого виготовлене тіло.
Сила пружності вимірюється в ньютонах [Н].
Нелінійні деформації[ред. | ред. код]
При збільшенні величини деформації закон Гука перестає діяти, сила пружності починає складним чином залежати від величини розтягування або стиснення.
Пластичні деформації[ред. | ред. код]
При ще більшій величині деформації залежність сили пружності від величини розтягу чи стиснення стає гістерезисною — в тілі відбуваються незворотні зміни.
Джерела[ред. | ред. код]
- Єжов С. М., Макарець М. В., Романенко О. В. Класична механіка. — К. : ВПЦ "Київський університет", 2008. — 480 с.
- Дідух Л. Д. Основи механіки. — Тернопіль : Підручники і посібники, 2010. — 304 с. — ISBN 978-966-07-1817-3.
- Вайданич В. І., Пенцак Г. М. Фізика. — Львів : Національний лісотехнічний університет України, 2009. — 664 с. — ISBN 5-7763-0227-7.
- Воловик П. М. Фізика для університетів. — Київ : Перун, 2011. — 864 с. — ISBN 966-569-172-4.
- Іванків Я. І., Палюх Б. М. Механіка [Текст] : навч. посібник для студ. фіз. спец. вузів. — Київ : ІСДО, 1995. — 228 с. — ISBN 5-7763-9897-5.
- Козицький С. В., Поліщук Д. І. Курс загальної фізики: підруч. для студ. ВНЗ: у 6 т. Т. 1. Механіка. — Одеса : Астропринт, 2011. — 471 с.
|
Це незавершена стаття з фізики. Ви можете допомогти проєкту, виправивши або дописавши її. |