ВИДЕО УРОК
Из
первого закона Ньютона следует, что скорость тела изменяется по величине и
направлению в результате воздействия на него каких-либо других тел.
Величину, характеризующую воздействие одного тела на
другое, в результате которого изменяется скорость, называют силой.
Вместо
того чтобы говорить, что одно тело действует на другое, говорят, что на тело
действует сила.
В
результате действия на тело силы изменяется его скорость или скорость отдельных
частей тела. Но изменение скорости характеризуется ускорением. Следовательно,
сила, действующая на какое-либо тело, сообщает ему ускорение или деформирует
его.
Из
опытов следует, что ускорение тела пропорционально действующей на тело силе, то
естьи так далее.
Из пропорции следует, что то есть отношение силы, действующей на тело, к сообщаемому ею ускорению есть величина постоянная.
Опыт
показывает также, что для другого тела это отношение имеет иное значение. Следовательно,
можно утверждать, что отношение силы к ускорению характеризует определённое
свойство тел: чем меньше это отношение, тем меньшая сила нужна для сообщения
данному телу определённого ускорения.
В
зависимости от способа воздействия одного тела на другое в механике различают
силы упругости, трения и тяжести.
Растянутая
резиновая лента или растянутая спиральная пружина
Предоставленные самим себе, сокращаются и
возвращаются в конце концов в исходное нерастянутое состояние
В
процессе сокращения все части пружины, кроме закреплённого конца, движутся с
ускорением, направленным вдоль её оси. На рисунке
стрелкой
показано ускорение конца В пружин. Значит, на все части растянутой
пружины, в том числе на конец В,
действует сила, направленная вдоль оси пружины.
Эта
сила называется силой упругости пружины.
В
нерастянутом состоянии пружины сила упругости равна нулю. Отсюда следует, что
сила упругости пружины зависит только от её растяжения, то есть от взаимного
расположения её частей.
Сила
упругости возникает в любом упруго деформированном теле, то есть в теле,
претерпевшем изменение своих размеров или формы, которое, будучи предоставлено
самому себе, возвращается в исходное состояние.
О
величине силы можно судить, например, по величине деформации пружины. Удлинение
пружины пропорционально действующей силе. Это позволяет проградуировать
растяжение пружины в единицах силы и использовать её в приборе для измерения
сил – в динамометре.
ОПЫТ:
Опыт
показывает, что при сравнительно небольших удлинениях между силой упругости
пружины и её удлинением существует линейная зависимость.
Эта
зависимость была установлена английским физиком Р. Гуком и называется законом Гука.
Сила упругости пропорциональна удлинению пружины.
Если
обозначить силу упругости через Fупр, а удлинение пружины через х, то закон Гука можно выразить формулой
Fупр = –kx.
ОПЫТ:
Сила
упругости возникает при деформации любого тела, а не только пружины; всякое
тело может играть роль пружины !
Так
как сила упругости возвращает тело к первоначальному состоянию, то она
направлена против направления смещения частиц тела при деформации.
ОПЫТ:
Если же стержень сжат, как это показано на рисунке, то частицы в нём смещены влево, а сила упругости направлена вправо.
Сила упругости – это сила, возникающая при деформации
тела и направленная в сторону, противоположную направлению смещения частиц тела
при деформации.
В дальнейшем будем рассматривать силы
упругости, возникающие только при деформации растяжения или сжатия.
Если
провести опыт не с пружиной, а с каким-нибудь стержнем, то можно убедиться в
том, что при малых деформациях стержня (малых по сравнению с его длиной) сила
упругости деформированного стержня, так же как и пружины, пропорциональна его
удлинению. Следовательно, закон Гука, выражаемый формулой
Fупр = –kx,
справедлив
для всякого упругого тела при условии, что эти деформации достаточно малы.
Деформация х определяет собой взаимное расположение частей
деформированного тела, то есть из координаты. Следовательно, закон Гука
показывает, что сила упругости зависит от координат отдельных частей
деформированного тела.
Как
возникает сама деформация тела ?
ОПЫТ:
Если заменить резиновые шарики стальными и повторить опыт, то увидим, что
результат будет совершенно таким же. Тележки столкнутся, на миг остановятся, а
затем станут двигаться в противоположных направлениях. Но мы не увидим изменения
формы шариков, их деформации. Это не значит, что деформации нет. Ведь тележки
со стальными шариками ведут себя совершенно так же, как и тележки с резиновыми
шариками. Но у стальных шариков деформации очень малы, и их нельзя заметить без
специальных приборов (это значит, что у стальных шариков жёсткость значительно
больше, чем у резиновых).
Часто бывают незаметны не только деформации, но и те движения, из-за
которых деформации возникают.
ПРИМЕР:
Когда мы видим лежащую на столе книгу, то, конечно, не можем
заметить, что и книга, и стол слегка деформируются. Но именно деформация стола,
совсем незаметная на глаз, приводит к появлению силы упругости, которая
направлена вертикально вверх и уравновешивает силу притяжения книги к Земле.
Поэтому книга и находится в покое. Когда мы кладём книгу на стол, она под
действием притяжения к Земле начинает двигаться вертикально вниз, как всякое
падающее тело. Вот при этом-то движении книга и смещает частицы, из которых
состоит соприкасающаяся с ней часть стола. Стол деформируется, и возникает сила
упругости, как раз равная силе притяжения книги к Земле, но направленная вверх.
Если положить книгу на подставку из мягкой
резины, то невооружённым глазом будет видно и перемещение, и конечная
деформация резины.
ОПЫТ:
Когда к свободному концу шнура АК прикрепляется тело,
то в первый момент оно
под действием силы притяжения к Земле
начинает падать
вертикально вниз в направлении, указанном стрелкой. При этом вместе с телом
перемещается вниз и конец К шнура. Вследствие этого шнур удлиняется, то
есть деформируется. Благодаря деформации шнура появляется сила
упругости направленная вверх. На тело, следовательно, действуют две силы, направленные противоположно. В начале падения тела удлинение шнура мало, мала и сила упругости. По мере дальнейшего перемещения тела вниз удлинение шнура увеличивается, одновременно увеличивается и сила упругости. Когда подвешенное тело находится в покое, то это значит, что сила упругости по своему абсолютному значению равна силе притяжения тела к Земле.
упругости направленная вверх. На тело, следовательно, действуют две силы, направленные противоположно. В начале падения тела удлинение шнура мало, мала и сила упругости. По мере дальнейшего перемещения тела вниз удлинение шнура увеличивается, одновременно увеличивается и сила упругости. Когда подвешенное тело находится в покое, то это значит, что сила упругости по своему абсолютному значению равна силе притяжения тела к Земле.
Если шнур АК сделан из мягкой резины, то его удлинение
может быть замечено даже на глаз. Но если этот шнур представляет собой стальную
проволоку большой жёсткости, то удлинение окажется настолько малым, что его
можно будет обнаружить лишь специальными приборами.
Во многих случаях деформации, приводящие к появлению силы упругости, хорошо
заметны.
ПРИМЕР:
Легко заметить удлинение
спиральной пружины или резинового шнура.
С помощью быстрой съёмки можно увидеть и
деформацию футбольного мяча при ударе футболиста. На рисунку
показано, какую форму принимает
этот круглый предмет в момент удара. Теряет свою сферическую форму и теннисный
мяч при ударе ракетки
Силу упругости, действующую на тело со стороны опоры или подвеса, часто
называют силой реакции опоры или силой реакции подвеса (или натяжением подвеса).
Приведённые примеры показывают, что сила упругости возникает при
соприкосновении взаимодействующих сил. Деформируются, разумеется, всегда оба
тела.
Важная особенность силы
упругости состоит в том, что она направлена перпендикулярно поверхности
соприкосновения взаимодействующих тел, а если во взаимодействии участвуют такие
тела, как стержни, шнуры, спиральные пружины, то сила упругости направлена
вдоль их осей.
Комментариев нет:
Отправить комментарий