Сила упругости в физике

Сила упругости — определение

В реальных условиях в окружающем мире человек постоянно наблюдает действие различных сил на какие-либо посторонние предметы и непосредственно на себя. Когда какая-либо сила оказывает воздействие на объект, по этой причине он сам, либо некоторые его компоненты, приводятся в движение. Существует множество видов такого движения. К примеру, если определенная часть материального тела перемещается в некотором направлении относительно остальных составляющих частей, можно наблюдать, как в процессе меняются форма и габариты рассматриваемого объекта. У данного явления имеется научное определение.

Перечислим наиболее простые разновидности деформации:

• растяжение;
• сжатие;
• сдвиг;
• сгибание;
• кручение.

В зависимости от характера и производимого эффекта деформационные изменения классифицируют следующим образом:

• упругая, то есть деформация, которую представляется возможным обратить;
• неупругая, либо необратимые деформационные воздействия.

Рассмотрим несколько типичных примеров реализации на практике упругой деформации. Если согнутую линейку отпустить, то есть прекратить силовое воздействие на этот предмет, можно наблюдать, как она выпрямится и примет начальную прямую форму. Растянутая пружина сжимается обратно, когда прекращается растяжение. Смятый в руках шарик, наполненный воздухом, восстановится сразу, как только его отпустить.

Таким образом, проявляется обратимость перечисленных деформаций. Рассмотрим обратный вариант проявления этой особенности. Предположим, что к предмету приложена чрезмерно большая сила. Если очень сильно сгибать линейку, то в зависимости от физико-технических характеристик материала, используемого при изготовлении, через некоторое время она сломается. Аналогично и с другими объектами, то есть пружина не сможет вернуть начальную упругую форму, а шарик вовсе утратит форму и лопнет от значительного сжатия в руках.

В чем измеряется, формула

В процессе своего воздействия на материальное тело сила упругости уравновешивает силы, действующие на предмет извне, по направлению противоположно смещению частиц, то есть:

• когда тело растягивается, сила упругости способствует сжатию;
• в процессе сжатия возникает сила упругости, которая стремится придать предмету изначальное прямое состояние.

Исходя из вышесказанного, можно сделать вывод о том, что сила упругости прямо пропорциональна деформации, что допустимо выразить следующим математическим соотношением:

\(F_{\text{упр}}\sim\Delta l\)

Отношение силы упругости к деформационным изменениям, если упругие деформации минимальны, справедливо выразить, как постоянную величину:

\(k=\frac{F_{\text{упр}}}{\Delta l}=const\)

Записанное значение обозначает коэффициент упругости или жесткости, который измеряется в Ньютонах на метр, то есть \(\frac{Н}{м}\) . В свою очередь, сила упругости, как и прочие подобные величины, измеряется в Ньютонах, то есть Н. С целью количественного определения силы упругости используют динамометр.

Обычный прибор включает в себя пружину, дополненную крючком, и дощечки со шкалой единиц, проградуированной в Ньютонах. Значение, на которое удлинилась пружина, относится прямо пропорциональным к силе, воздействующей на предмет. С возрастанием этой силы можно наблюдать, как увеличивается удлинение пружинного механизма. В процессе измерения стрелка, перемещаясь по шкале, демонстрирует, какое значение принимает сила. Существуют разные модификации динамометров, к примеру, оборудование промышленного назначения. Однако принцип действия у подобных устройств не отличается.

Закон Гука

Закон Гука: абсолютное значение силы упругости прямо пропорционально величине деформационного изменения, то есть:

\(F = k \cdot x\)

Здесь k обозначает коэффициент жесткости, определение которого было дано ранее.

Источник: physics.shkolkovo.net

Примеры решения задач

Источник: physics.shkolkovo.net

Решение

В данном случае целесообразно обратиться к закону Гука. С помощью уже знакомой из теоретического материала формулы потребуется выразить величину, на которую увеличена пружина, подставить численные значения из условия задания и рассчитать искомую величину:

\(\triangle x = \frac{F}{k_{1}} = \frac{20}{400} = 0,05 (м) = 5 (см)\)

Ответ: 5 см.

Источник: physics.shkolkovo.net

Решение

В первую очередь целесообразно смоделировать ситуацию, когда предмет массой m находится в состоянии покоя. Тогда на объект оказывают воздействие пара противоположных сил, то есть тяжести и упругости. Запишем первый закон Ньютона, справедливый для рассматриваемой системы:

\(mg = F_{упр1}\)

После того, как к предмету прикрепили дополнительный груз, ситуация поменялась. В результате сформировалась система, которую допустимо описать с помощью первого закона Ньютона с такой формулировкой:

\(mg+ Мg = F_{упр2}\)

Далее запишем закономерность для силы упругости, то есть закон Гука:

\(F_{упр} = kх\)

Подставим это математическое соотношение в выражения, записанные ранее. В результате получим:

\(mg = kx_{1}\)

\(mg + Mg = kx_{2}\)

Путем вычитания из первого выражения второго получим следующее справедливое равенство:

\(Мg = k(x_{2} - x_{1}) \Rightarrow M = \frac{k(x_{2} - x_{1})}{g} = \frac{1200\cdot 0,03}{10} = 3,6 (кг)\)

Ответ: 3,6 кг