Физика что такое сила упругости. Сила упругости. Полные уроки — Гипермаркет знаний. Жесткость образца. Модуль Юнга

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) .

Что такое сила упругости?

Силой упругости называют такую силу, которая возникает через деформации тела и направленная в сторону, противоположную перемещениям частиц тела при деформации.

Для более наглядного примера, чтобы лучше понять, что такое сила упругости, возьмем яркий пример из повседневной жизни. Представьте, что перед вами обычная бельевая веревка, на которую вы повесили мокрое белье. Если на хорошо натянутую горизонтально веревку мы повесим мокрое белье, то увидим, как под весом вещей эта веревка начинает прогибаться и растягиваться.

Вначале мы с вами вешаем на веревку одну мокрую вещь и видим, как она вместе с веревкой прогибается к земле, а потом останавливается. Затем мы вешаем следующую вещь и видим, что повторяется такое же действие и веревка прогибается еще больше.

В этом случае напрашивается вывод, что при увеличении силы, которая воздействует на веревку, будет происходить деформация, пока силы противодействия этой деформации не будут равны весу всех вещей. И только после этого движение вниз прекратится.

Следует отметить, что работа силы упругости заключается в сохранении целостности предметов, на которые мы воздействуем другими предметами. Если силы упругости не способны с этим справиться, то тогда тело деформируется безвозвратно, то есть веревка может просто порваться.

И здесь напрашивается риторический вопрос. В какой момент возникла сила упругости? А возникает она тогда, когда мы только начинаем вешать белье, то есть в момент первоначального воздействия на тело. И когда белье высохло, и мы его снимаем, то сила упругости исчезает.

Разновидности деформаций

Теперь нам уже известно, что сила упругости появляется в результате деформации.

Давайте вспомним, что такое деформация? Деформацией называют изменение объема или формы тела под действием внешних сил.

А причиной возникновения деформации является то, что разчные части тела движутся не одинаково, а по-разному. При одинаковом движении тело постоянно имело бы свою первоначальную форму и размеры, то есть оно бы не деформировалось.

Давайте рассмотрим вопрос о там, какие разновидности деформации мы можем наблюдать.

Виды деформации можно разделить по характеру изменения их формы.

К тому же, деформация делится на два типа. В этом случае деформация может быть упругой или пластической деформацию.

Если, к примеру, взять и растянуть пружину, а потом ее отпустить, то после такой деформации пружина восстановит свои прежние размеры и форму. Это и будет примером упругой деформации.

То есть, если мы видим, что после прекращения действия на тело деформация полностью исчезает, то такая деформация является упругой.

А теперь наведем другой пример. Давайте возьмем кусочек пластилина и сожмем его или слепим какую-нибудь фигурку. Мы с вами видим, что даже после прекращения действия пластилин не изменил форму, то есть остался деформированным. Такая неупругая деформация и является пластической.

При пластической деформации она сохраняется даже тогда, когда на нее перестают действовать внешние силы.

Такой вид деформации используют помимо лепки из глины или пластилина и при технических процессах ковки и штамповки.

Задание: Опишите, какие виды деформации вы видите на изображении?

Сила упругости и закон Гука

От величины деформации, которой подвергается какое-либо тело, зависит и величина силы упругости. Следовательно, деформация и сила упругости находятся в тесной взаимосвязи. Если подверглась изменениям одна величина, то значит, появились изменения и в другой.

Поэтому, если нам известна деформация тела, то мы можем просчитать силу упругости, которая возникла в этом теле. И наоборот, если мы знаем силу упругости, то можем легко определить степень деформации тела.

Когда, например, взять пружину и к ней подвесить одинаковой массы гирьки, то можно увидеть, что с каждым последующим подвешенным грузом, все сильнее растягивается пружина. И замете, что чем больше эта пружина деформируется, тем больше становится сила упругости.

А если учесть то, что гирьки имеют одинаковую массу, то подвешивая их поочередно, можно заметить, что с каждым новым подвешиванием увеличивается длина пружины ровно на такую же величину.

Чтобы найти соотношение между силой упругости и деформацией упругого тела, нужно воспользоваться формулой, которая была открыта известным английским ученым Робертом Гуком.

Ученый установил простую связь между увеличением длины тела и силой упругости, которая была вызвана этим удлинением.

В этой формуле дельта обозначает изменения, которые происходят с величиной.

Закон Гука утверждает, что при малых деформациях сила упругости прямо пропорциональна удлинению тела.

То есть, чем больше появляется деформация, тем большую силу упругости мы можем наблюдать.

Но необходимо также отметить, что закон Гука справедлив лишь там, где присутствует упругая деформация.

Сила упругости в природе

Сила упругости довольно значимую роль играет и в природе. Ведь только благодаря этой силе, ткани растений, животных и человека способны выдерживать огромные нагрузки и при этом не сломаться и не разрушиться.

Вы, наверное, не раз наблюдали такую картину, как под порывом ветра сгибаются растения или под тяжестью снега прогибаются ветки деревьев, а в результате действия силы упругости возвращаются в свою предыдущую форму.

Также, каждый из вас мог наблюдать, как под натиском сильного ураганного ветра, ломались ветки деревьев. А такой итог мы можем наблюдать тогда, когда действие силы ветра превышает силы упругости самого дерева.

Все находящиеся на Земле тела способны выдерживать силу атмосферного давления только благодаря силе упругости. Обитатели глубоких водоемов способны выдерживать еще большую нагрузку. Поэтому можно прийти к закономерному выводу, что только благодаря силе упругости, все живые организмы в природе имеют возможность не только переносить механические нагрузки, но и сохранить свою форму в целостности.

Сидящие на ветках деревьев стайки птиц, весящие на кустах грозди винограда, огромные шапки снега на еловых лапах – это наглядная демонстрация сил упругости в природе.

Знаменитый закон Гука применяется практически во всех сферах нашей жизни. Без него никак нельзя обойтись ни в повседневном быту, ни в архитектуре. Этот закон используют при строительстве домов и автомобилей. Эго даже применяют в торговле.

Но, наверное, не каждый из вас мог себе представить, что сила упругости может быть применена и на арене цирка. Еще в позапрошлом веке в знаменитом цирке Франкони был продемонстрирован номер под названием «Человек- бомба».

Для этого, на арене цирка установили огромных размеров пушку, из которой произвели выстрел человеком. Зрители были шокированы этим номером, так как не подозревали, что выстрел был произведен не пороховыми газами, а с помощью пружины. В стволе пушки поместили мощную упругую пружину и после команды «пли!» из дула пружина выбрасывала на арену артистку. Ну, а грохот, дым и огонь только усиливали эффект этого номера и наводили ужас на зрителей.

Темы кодификатора ЕГЭ: силы в механике, сила упругости, закон Гука.

Как мы знаем, в правой части второго закона Ньютона стоит равнодействующая (то есть векторная сумма) всех сил, приложенных к телу. Теперь нам предстоит изучить силы взаимодействия тел в механике. Их три вида: сила упругости, гравитационная сила и сила трения. Начинаем с силы упругости.

Деформация.

Силы упругости возникают при деформациях тел. Деформация - это изменение формы и размеров тела. К деформациям относятся растяжение, сжатие, кручение, сдвиг и изгиб.
Деформации бывают упругими и пластическими. Упругая деформация полностью исчезает после прекращения действия вызывающих её внешних сил, так что тело полностью восстанавливает форму и размеры. Пластическая деформация сохраняется (быть может, частично) после снятия внешней нагрузки, и тело уже не возвращается к прежним размерам и форме.

Частицы тела (молекулы или атомы) взаимодействуют друг с другом силами притяжения и отталкивания, имеющими электромагнитное происхождение (это силы, действующие между ядрами и электронами соседних атомов). Силы взаимодействия зависят о расстояний между частицами. Если деформации нет, то силы притяжения компенсируются силами отталкивания. При деформации изменяются расстояния между частицами, и баланс сил взаимодействия нарушается.

Например, при растяжении стержня расстояния между его частицами увеличиваются, и начинают преобладать силы притяжения. Наоборот, при сжатии стержня расстояния между частицами уменьшаются, и начинают преобладать силы отталкивания. В любом случае возникает сила, которая направлена в сторону, противоположную деформации, и стремится восстановить первоначальную конфигурацию тела.

Сила упругости - это сила, возникающая при упругой деформации тела и направленная в сторону, противоположную смещению частиц тела в процессе деформации. Сила упругости:

1. действует между соседними слоями деформированного тела и приложена к каждому слою;
2. действует со стороны деформированного тела на соприкасающееся с ним тело, вызывающее деформацию, и приложена в месте контакта данных тел перпендикулярно их поверхностям (типичный пример - сила реакции опоры).

Силы, возникающие при пластических деформациях, не относятся к силам упругости. Эти силы зависят не от величины деформации, а от скорости её возникновения. Изучение таких сил
выходит далеко за рамки школьной программы.

В школьной физике рассматриваются растяжения нитей и тросов, а также растяжения и сжатия пружин и стержней. Во всех этих случаях силы упругости направлены вдоль осей данных тел.

Закон Гука.

Деформация называется малой , если изменение размеров тела много меньше его первоначальных размеров. При малых деформациях зависимость силы упругости от величины деформации оказывается линейной.

Закон Гука . Абсолютная величина силы упругости прямо пропорциональна величине деформации. В частности, для пружины, сжатой или растянутой на величину , сила упругости даётся формулой:

(1)

где - коэффициент жёсткости пружины.

Коэффициент жёсткости зависит не только от материала пружины, но также от её формы и размеров.

Из формулы (1) следует, что график зависимости силы упругости от (малой) деформации является прямой линией (рис. 1 ):

Рис. 1. Закон Гука

Коэффициент жёсткости - о угловой коэффициент в уравнении прямой . Поэтому справедливо равенство:

где - угол наклона данной прямой к оси абсцисс. Это равенство удобно использовать при экспериментальном нахождении величины .

Подчеркнём ещё раз, что закон Гука о линейной зависимости силы упругости от величины деформации справедлив лишь при малых деформациях тела. Когда деформации перестают быть малыми, эта зависимость перестаёт быть линейной и приобретает более сложный вид. Соответственно, прямая линия на рис. 1 - это лишь небольшой начальный участок криволинейного графика, описывающего зависимость от при всех значениях деформации .

Модуль Юнга.

В частном случае малых деформаций стержней имеется более детальная формула, уточняющая общий вид ( 1 ) закона Гука.

Именно, если стержень длиной и площадью поперечного сечения растянуть или сжать
на величину , то для силы упругости справедлива формула:

Здесь - модуль Юнга материала стержня. Этот коэффициент уже не зависит от геометрических размеров стержня. Модули Юнга различных веществ приведены в справочных таблицах.

Сила упругости всегда является результатом деформации тела. Данная сила всегда пытается вернуть деформированное тело в исходное положение. Что же такое сила упругости, и при каких условиях она возникает?

Общая характеристика силы упругости

Сила упругости возникает при деформации тел, например, при растяжении или сжатии пружины. Деформация – это изменение формы и размеров тела.

Рис. 1. Сила упругости при деформации пружины.

Если исчезнет деформация тела, то сила упругости тоже исчезнет

Причиной возникновения сил упругости являются силы притяжения и отталкивания между частицами (молекулами или атомами), из которых состоят все тела. Если слегка увеличить расстояние между частицами, то силы взаимодействия оказываются силами притяжения между ними. Если же расстояние между частицами немного уменьшить, они становятся силами отталкивания. Сила упругости, действующая на тело, связана с деформацией тела следующим образом:

где F упр. – модуль силы упругости, х – удлинение тела (расстояние, на которое изменяется первоначальная длина тела), k – коэффициент пропорциональности, называемый жесткостью пружины, измеряемый в Н/м. Данная формула силы упругости служит выражением закона Гука. Определение закона Гука выражается следующим образом: сила упругости, возникающая при деформации тела, пропорциональна удлинению тела и направлена противоположно перемещению частиц тела относительно других частиц при деформации.

Рис. 2. Формула закон Гука.

Прямую пропорциональную зависимость между силой упругости и удлинением используют в динамометрах – приборах для измерения силы. Силы упругости работают в технике и природе: в часовых механизмах, в амортизаторах на транспорте, в канатах и тросах, в человеческих костях и мышцах.

Свойства силы упругости

К силам упругости относятся сила реакции опоры и веса тела. Сила реакции (N) со стороны опоры на тело возникает, когда тело кладут на какую-нибудь поверхность (опору).

Если тело подвешивают на нити, то эта же самая сила называется силой натяжения нити (Т).

Силы упругости имеет ряд особенностей:

• возникают при деформации
• возникают одновременно у двух тел
• перпендикулярны поверхности
• противоположны по направлению смещению.

Вес тела (P) – это сила, с которой тело действует на горизонтальную опору или вертикальный подвес, вследствие своего притяжения к Земле.

Вес тела обозначается буквой P и измеряется в Ньютонах.

Если опора тела горизонтальна и неподвижна, то вес такого тела численно равен силе тяжести, действующей на это тело и равен P=mg

Если же тело движется вверх с ускорением а, то вес этого тела больше веса покоящегося тела и равен $P=(g+a)m$

А если же тело с ускорением а движется вниз, то его вес $P =(g-a)m$

При равенстве ускорения тела и ускорения свободного падения вес тела равен нулю. Это состояние невесомости.

Рис. 3. Таблица сравнение силы упругости с другими силами.

Что мы узнали?

Тема «Сила упругости» является важным этапом в познании физики как науки. Силы упругости - это силы, возникающие в теле при его упругой деформации и направленные в сторону, противоположную смещению частиц при деформации. Сила упругости не существует без деформации тела. Также к силам упругости относятся сила реакции опоры и веса тела.

Тест по теме

Оценка доклада

Средняя оценка: 4.4 . Всего получено оценок: 92.

Почему тела, находящиеся на земле (дома, деревья, мы с вами), не проваливаются сквозь нее, хотя на них действует сила тяжести? Почему растянутая пружина или тетива лука стремятся восстановить свою форму? Ответы на эти и многие вопросы вы сможете дать, познакомившись на этом уроке с еще одним видом сил - силой упругости.

Вы уже знаете, что все тела на поверхности Земли испытывают ее притяжение. На любое тело, находящееся на поверхности Земли или вблизи ее, действует сила тяжести. Снежинка, падающая с неба, движется к Земле. Но, упав на крышу, она прекращает свое движение. Значит, что-то мешает снежинке двигаться вниз.

Рис. 1. Снежинка, падающая с неба, упав на крышу, прекращает свое движение

Что же мешает снежинке и всей толще снега, находящегося на крыше, двигаться к центру Земли под действием силы тяжести? Ответ: снегу мешает продолжать движение сила, действующая на него со стороны крыши. Эта сила направлена в сторону, противоположную направлению силы тяжести, и численно равна ей. Она компенсирует силу тяжести, и снег ведет себя так, как если бы на него не действовали никакие тела. В соответствии с уже знакомым нам законом инерции он находится в состоянии покоя.

Рис. 2. Сила упругости компенсирует силу тяжести

Рассмотрим еще один пример компенсации силы тяжести. Горизонтально расположенная стальная лента закреплена с двух сторон в штативах. Если поставить груз на эту ленту, лента начнет прогибаться по мере движения груза вниз. Лента деформируется. И при определенной величине деформации ленты груз останавливается. Груз движется вниз до тех пор, пока сила, действующая на него со стороны стальной ленты, не уравновесит силу тяжести.

Рис. 3. Изогнутая лента действует на груз силой, которая уравновешивает силу тяжести груза

Сила, возникающая при деформации тела, называется силой упругости.

Деформации различают по характеру изменения формы тела. Это изгиб, растяжение, сжатие, кручение и др.

Рис. 4. Классификация деформаций по характеру изменения формы тела

Кроме того, деформация делится на два типа - упругая и пластическая. После упругой деформации тело полностью восстанавливает свою первоначальную форму и размеры.

Рис. 5. Пример упругой деформации

После пластической деформации тело полностью сохраняет вновь приобретенную форму и размеры.

Так происходит, например, при лепке из глины или пластилина. Пластическая деформация используется в технике в таких процессах, как ковка и штамповка.

Рис. 6. Пример пластической деформации

Причина возникновения силы упругости - изменение расстояний между молекулами при деформации и, соответственно, изменение сил межмолекулярного взаимодействия.

Если мы растягиваем тело, то расстояние между его молекулами увеличивается, а значит, возрастает сила межмолекулярного притяжения. Если же мы пытается сжать тело, но этим самым мы пытаемся уменьшить расстояние между молекулами, и тогда возрастают силы межмолекулярного отталкивания.

Рис. 9. При растяжении расстояние между молекулами тела увеличивается

Рис. 10. При сжатии расстояние между молекулами тела уменьшается

Деформация тела чаще всего очень мала и непосредственно визуально не заметна. Так, когда тело стоит на опоре (например, на столе), деформация стола не видна, но именно она является причиной того, что тело неподвижно, хотя на него действует сила тяжести.

Гораздо проще исследовать силу упругости, когда деформация хорошо заметна и легко поддается измерению. Так, например, происходит при растяжении пружин. Если к пружине, верхний конец которой закреплен, подвешивать последовательно один, два, три груза, то можно заметить, что деформация пружины увеличивается, а следовательно, увеличивается и сила упругости.

Рис. 11. Деформация пружины увеличивается, увеличивается и сила упругости

Английский физик Роберт Гук впервые установил зависимость величины силы упругости от вызвавшей ее появление деформации.

Рис. 12. Роберт Гук (1635-1703)

Гук установил, что между удлинением тела (увеличением его длины l на величину ∆l ) и вызванным этим удлинением появлением силы упругости существует простая связь. Здесь греческая буква ∆(дельта) используется для обозначения изменения величины l .

При малых деформациях сила упругости прямо пропорциональна удлинению тела:

Это утверждение получило название закона Гука. Он справедлив только для упругой деформации. Коэффициент k называется коэффициентом жесткости тела. Он измеряется в Н/м (ньютонах на метр).

Рис. 13. Две пружины с различным коэффициентом жесткости

На рисунке изображены две пружины, которые до подвешивания грузов имели одинаковую длину. Но правая пружина под действием грузов удлинилась больше, чем левая под действием таких же грузов. Это означает, что коэффициент жесткости этих пружин различный.

В обеих пружинах сила упругости одинакова. И если правая пружина удлинилась больше левой, то в соответствии с законом Гука ее коэффициент жесткости меньше.

Коэффициент жесткости описывает упругие свойства тела. Он зависит от формы и размеров тела, а также от материала, из которого оно изготовлено.

Мы выяснили, что при внешнем воздействии на тело в нем на межмолекулярном уровне возникают изменения: деформация приводит к изменению расстояния между молекулами. Существуют различные виды деформаций. Сила, которая возникает при деформации, называется силой упругости. При малых деформациях растяжения (сжатия) сила упругости прямо пропорциональна удлинению тела.

1. Перышкин А.В. Физика. 7 кл. - 14-е изд., стереотип. - М.: Дрофа, 2010.
2. Перышкин А.В. Сборник задач по физике, 7 - 9 кл.: 5-е изд., стереотип. - М: Издательство «Экзамен», 2010.
3. Лукашик В.И., Иванова Е.В. Сборник задач по физике для 7 - 9 классов общеобразовательных учреждений. - 17-е изд. - М.: Просвещение, 2004.

1. Интернет-портал «files.school-collection.edu.ru» ()
2. Интернет-портал «files.school-collection.edu.ru» ()

Домашнее задание

Лукашик В.И., Иванова Е.В. Сборник задач по физике для 7 - 9 классов №326 - 332.