Отримання знань

Розділ  7

СИЛА  ПРУЖНОСТІ

Охарактеризуємо силу пружності згідно плану характеристики сили:

Сила пружності - це сила, яка протидіє деформації.

Природа сили - електрична. Розберемось, чому сила пружності породжується електричною взаємодією. Як відомо речовина складається з молекул, а молекули, в свою чергу, складаються з атомів. З курсу природознавства та хімії вам відомо, що атоми складаються з позитивно зарядженого ядра та негативно заряджених електронів, які обертаються навколо ядра. Також відомо, що однойменні електричні заряди відштовхуються, а різнойменні притягуються, тому між атомами діють сили електричного притягання і відштовхування. Тобто на кожен атом діють електричні сила притягання F_П і відштовхування F_В збоку сусіднього атома. В результаті взаємодії атоми розташовуються таким чином, що сили притягання F_П і відштовхування F_В, які діють на кожен атом скомпенсовані F_П=F_В (тобто їх рівнодійна дорівнює нулю) та атом перебуває у стані спокою - у рівноважному стін на, так званій, рівноважній відстані        (рис 23 а).

рис. 23 а (атоми перебувають у рівноважному стані FП=FВ)

Якщо стискати тіло, то атоми цього тіла наближатимуться один до одного і між ними переважатимуть сил електричного відштовхування F_В, які прагнутимуть повернути атому у рівноважний стан F_П<F_В (рис 23 б).

рис. 23 б (тіло стискають, атоми наближаються FП<FВ)

Якщо розтягувати тіло, то переважатимуть сили електричного притягання F_П, які також будуть прагнути повернути атом у рівноважний стан F_П>F_В (рис 23 в).

рис. 23 в (тіло розтягують, атоми віддаляються FП>FВ)

Отже, при деформації тіла, змінюються величини сил електричного притягання F_П та відштовхування F_В між атомами цього тіла. Ці електричні сили завжди прагнуть повернути атоми тіла у рівноважний стан, тобто ці сили чинять опір деформації. Результуючі цих електричних сили, з якими взаємодіють атоми, і є силами пружності.

Точка прикладання сили пружності - деформоване тіло або частина тіла   (рис 24).

 

Напрямок сили пружності - проти деформації (рис 24)..

рис. 24

 

Величина сили пружності для пружних деформацій розтягу або стиску визначається за законом, який був експериментально відкритий англійцем Робертом Гуком і названий на його честь:

Сила пружності, що виникає при невеликих пружних деформаціях розтягу або стиску прямо пропорційна до абсолютного видовження.

Знак «мінус» у законі визначає те, що сила пружності F_пр направлена завжди проти деформації Δх. При розв’язанні задач знак «‒» не враховується. Коефіцієнт пропорційності k між силою F_пр пружності та абсолютним видовженням Δх називають коефіцієнтом пружності або жорсткістю.

Визначимо фізичний зміст коефіцієнту пружності k, для цього виразимо його із формули закону Гука:

Отже, :

Коефіцієнт пружності (жорсткість) k - це сила пружності при невеликих пружних деформаціях розтягу або стиску, яка виникає у тілі при його абсолютному видовженні на Δх=1 м.

Одиниці вимірювання g:

Жорсткість тіл залежить від матеріалу, з якого виготовлене тіло, форми та розмірів цього тіла. Зверніть увагу, що жорсткість - це характеристика не речовини (як наприклад густина), а конкретного тіла. Тіла різної форми або розмірів, виготовлені з однієї і тієї ж речовини, можуть мати різну жорсткість.

Закон Гука має певні межі застосування, як слідують із його формулювання.  Він справедливий:

1)      лише для невеликих пружних деформацій, які вважають абсолютно пружними, тобто після припинення дії сили деформації зовсім не існує залишкових деформацій;

2)      лише для деформацій розтягу або стиску.

Зауважимо, що для деформацій кручення, згину та зсуву теж існують подібні закони (закони Гука для деформацій зсуву, кручення, згину), які встановлюють залежність між силою пружності, яка виникає у тіла та абсолютною деформацією. Однак ці закони мають більш складний математичний запис, тому розглядаються у старших класах.

Характеристика сили пружності

Означення	це сила, яка протидіє деформації.
Природа	Електрична
Точка прикладання	Деформоване тіло або частина тіла
Напрямок	Проти деформації
Величина	Для деформації розтягу або стиску - закон Гука