Характеристикой жесткости материалов являются модули упругости.
Около 1800 г. английский ученый Томас Юнг (Thomas Young, 1773—1829 гг.) пришел к выводу, что если пользоваться не абсолютными значениями сил и смещений в конструкциях, а напряжениями и деформациями, то закон Гука можно записать в следующем виде:
где — модуль деформации при линейном растяжении твердого тела (модуль Юнга):
Модуль Юнга или модуль продольной упругости E — отношение нормального (направленного по нормали к поверхности) напряжения σ к относительному удлинению ε, вызванному этим напряжением в направлении его действия.
Модуль Юнга характеризует сопротивляемость материала упругой деформации растяжения или сжатия. Модуль Юнга численно равен напряжению деформации, вызывающему единичную деформацию, т. е. растяжение твердого тела на единицу (увеличение размера твердого тела в 2 раза).
Для большинства широко распространенных материалов модуль Юнга определен экспериментально. Чем больше модуль Юнга, тем меньше деформируется стержень при прочих равных условиях.
Подставив в формулу 1 выражения и :
Обозначим жесткость стержня:
тогда:
Жесткость k стержня прямо пропорциональна произведению модуля Юнга на площадь поперечного сечения стержня и обратно пропорциональна его длине.
Частное проявление закона Гука: сила упругости, возникающая при деформации пружины (рис. 1), прямо пропорциональна удлинению пружины:
где x — удлинение пружины; k — постоянный коэффициент, называемый жесткостью пружины, «минус» означает, что сила упругости направлена в сторону, противоположную перемещению частиц при деформации пружины, т. е. в сторону, противоположную удлинению x пружины.
Рис. 1. Деформация растяжения пружины. Fупр = −mg, Fупр = −kx
При пластических деформациях твердых тел наблюдается явление упругого гистерезиса.
Упругий гистерезис — различие в значениях деформаций в теле при одном и том же механическом напряжении в зависимости от значения предварительной деформации тела. Площадь петли упругого гистерезиса пропорциональна работе при пластической деформации (рис. 2).
Рис. 2. Диаграммы «напряжение-деформация» сплава CuZn
При повторном действии силы на твердое тело, испытавшее пластическую деформацию, с ростом напряжения деформации σ относительная деформация ε снова растет в соответствии с законом Гука с тем же значением модуля Юнга, т. е. с тем же наклоном прямой, но предел упругости теперь будет равен тому максимальному напряжению, которым закончилось первое деформирование.
Сила упругости широко используется в технике. Эта сила возникает в упругих телах при их деформации. Деформация – это изменение формы тела, под действием приложенных сил.
Виды деформации
Деформация – это изменение формы, или размеров тела.
Есть несколько видов деформации:
- сдвиг;
- кручение;
- изгиб;
- сжатие/растяжение;
Деформация сдвига возникает, когда одни части тела сдвигаются относительно других его частей. Если подействовать на верхнюю часть картонного ящика, наполненного различными предметами, горизонтальной силой, то вызовем сдвиг верхней части ящика относительно его нижней части.
Сжатие или растяжение легко представить на примере прямоугольного куска тонкой резины. Такая деформация используется, к примеру, в резинках для одежды.
Примеры изгиба и кручения показаны на рисунке 1. Пластиковая линейка, деформированная изгибом, представлена на рис. 1а, а на рисунке 1б – эта же линейка, деформируемая кручением.
Рис. 1. пластиковая линейка, деформированная изгибом – а) и кручением – б)
В деформируемом теле возникают силы, имеющие электромагнитную природу и препятствующие деформации.
Растяжение пружины
Рассмотрим подробнее деформацию растяжения на примере пружины.
Давайте прикрепим пружину к некоторой поверхности (рис. 2). На рисунке слева указана начальная длина (L_{0}) пружины.
Рис. 2. Сравнивая длину свободной пружины с длиной нагруженной, можно найти ее удлинение
Подвесим теперь к пружине груз. Пружина будет иметь длину (L), указанную на рисунке справа.
Сравним длину нагруженной пружины с длиной свободно висящей пружины.
[ large L_{0} + Delta L = L ]
Найдем разницу (разность) между длинами свободно висящей пружины и пружины с грузом. Вычтем для этого из обеих частей этого уравнения величину (L_{0}).
[ large boxed{ Delta L = L — L_{0} }]
( L_{0} left(text{м} right) ) – начальная длина пружины;
( L left(text{м} right) ) – конечная длина растянутой пружины;
( Delta L left(text{м} right) ) – кусочек длины, на который растянули пружину;
Величину ( Delta L ) называют удлинением пружины.
Иногда рассчитывают относительное удлинение. Это относительное удлинение часто выражают десятичной дробью. Или дробью, в знаменателе которой находится число 100 — такую дробь называют процентом.
Примечание: Отношение – это дробь. Относительное – значит, дробное.
[ large boxed{ frac{Delta L }{ L_{0}} = frac{ L — L_{0}}{L_{0} } = varepsilon } ]
( varepsilon ) – это отношение (доля) растяжения пружины к ее начальной длине. Измеряют в процентах и называют относительным удлинением.
Расчет силы упругости
Если растягивать пружину вручную, мы можем заметить: чем больше мы растягиваем пружину, тем сильнее она сопротивляется.
Значит, с удлинением пружины связана сила, которая сопротивляется этому удлинению.
Конечно, если пружина окажется достаточно упругой, чтобы сопротивляться. Например, разноцветная пружина-игрушка (рис. 3), изготовленная из пластмассы, сопротивляться растяжению, увеличивающему ее длину в два раза, практически не будет.
Разноцветная пластмассовая пружина-игрушка растяжению сопротивляется слабо
Закон Гука
Английский физик Роберт Гук, живший во второй половине 17-го века, установил, что сила сопротивления пружины и ее удлинение связаны прямой пропорциональностью. Силу, с которой пружина сопротивляется деформации, он назвал ( F_{text{упр}} ) силой упругости.
[ large boxed{ F_{text{упр}} = k cdot Delta L }]
Эту формулу назвали законом упругости Гука.
( F_{text{упр}} left( H right) ) – сила упругости;
( Delta L left(text{м} right) ) – удлинение пружины;
( displaystyle k left(frac{H}{text{м}} right) ) – коэффициент жесткости (упругости).
Какие деформации называют малыми
Закон Гука применяют для малых удлинений (деформаций).
Если убрать деформирующую силу и тело вернется к первоначальной форме (размерам), то деформации называют малыми.
Если же тело к первоначальной форме не вернется – малыми деформации назвать не получится.
Как рассчитать коэффициент жесткости
Груз, прикрепленный к концу пружины, растягивает ее (рис. 4). Измерим удлинение пружины и составим силовое уравнение для проекции сил на вертикальную ось. Вес груза направлен против оси, а сила упругости, противодействующая ему – по оси.
Рис. 4. Вес подвешенного на пружине груза уравновешивается силой упругости
Так как силы взаимно компенсируются, в правой части уравнения находится ноль.
[ large F_{text{упр}} — m cdot g = 0 ]
Подставим в это уравнение выражение для силы упругости
[ large k cdot Delta L — m cdot g = 0 ]
Прибавим к обеим частям вес груза и разделим на измеренное изменение длины (Delta L ) пружины. Получим выражение для коэффициента жесткости:
[ large boxed{ k = frac{ m cdot g }{Delta L} }]
(g) – ускорение свободного падения, оно связано с силой тяжести.
Соединяем две одинаковые пружины
В задачниках по физике и пособиях для подготовки к ЕГЭ встречаются задачи, в которых одинаковые пружины соединяют последовательно, либо параллельно.
Параллельное соединение пружин
На рисунке 5а представлена свободно висящая пружина. Нагрузим ее (рис. 5б), она растянется на величину (Delta L). Соединим две такие пружины параллельно и подвесим груз в середине перекладины (рис. 5в). Из рисунка видно, что конструкция из двух параллельных пружин под действием груза растянется меньше, нежели единственная такая пружина.
Рис. 5. Две пружины, соединенные параллельно, деформируются меньше одной такой пружины
Сравним растяжение двух одинаковых пружин, соединенных параллельно, с растяжением одной пружины. К пружинам подвешиваем один груз весом (mg).
Одна пружина:
[ large k_{1} cdot Delta L = m cdot g ]
Две параллельные пружины:
[ large k_{text{параллел}} cdot Delta L cdot frac{1}{2}= m cdot g ]
Так как правые части уравнений совпадают, левые части тоже будут равны:
[ large k_{text{параллел}} cdot Delta L cdot frac{1}{2}= k_{1} cdot Delta L ]
Обе части уравнения содержат величину (Delta L ). Разделим обе части уравнения на нее:
[ large k_{text{параллел}} cdot frac{1}{2}= k_{1} ]
Умножим обе части полученного уравнения на число 2:
[ large boxed{ k_{text{параллел}} = 2k_{1} } ]
Коэффициент жесткости (k_{text{параллел}}) двух пружин, соединенных параллельно, увеличился вдвое, в сравнении с одной такой пружиной
Последовательное соединение пружин
Рисунок 6а иллюстрирует свободно висящую пружину. Нагруженная пружина (рис. 6б), растянута на длину (Delta L). Теперь возьмем две такие пружины и соединим их последовательно. Подвесим груз к этим (рис. 6в) пружинам.
Практика показывает, что конструкция из двух последовательно соединенных пружин под действием груза растянется больше единственной пружины.
На каждую пружину в цепочке действует вес груза. Под действием веса пружина растягивается и передает далее по цепочке этот вес без изменений. Он растягивает следующую пружину. А та, в свою очередь, растягивается на такую же величину (Delta L).
Примечание: Под действием силы пружина растягивается и передает эту растягивающую силу далее по цепочке без изменений
Рис. 6. Система, состоящая из двух одинаковых пружин, соединенных последовательно, деформируются больше одной пружины
Сравним растяжение двух одинаковых последовательно соединенных пружин и растяжение единственной пружины. В обоих случаях к пружинам подвешиваем одинаковый груз весом (mg).
Одна пружина:
[ large k_{1} cdot Delta L = m cdot g ]
Две последовательные пружины:
[ large k_{text{послед}} cdot Delta L cdot 2 = m cdot g ]
Так как правые части уравнений совпадают, левые части тоже будут равны:
[ large k_{text{послед}} cdot Delta L cdot 2 = k_{1} cdot Delta L ]
Обе части уравнения содержат величину (Delta L ). Разделим обе части уравнения на нее:
[ large k_{text{послед}} cdot 2 = k_{1} ]
Разделим обе части полученного уравнения на число 2:
[ large boxed{ k_{text{послед}} = frac{k_{1}}{2} } ]
Коэффициент жесткости (k_{text{послед}}) двух пружин, соединенных последовательно, уменьшится вдвое, в сравнении с одной такой пружиной
Потенциальная энергия сжатой или растянутой пружины
Пружина сжатая (левая часть рис. 7), или растянутая (правая часть рис. 7) на длину (Delta L ) обладает потенциальной возможностью вернуться в первоначальное состояние и при этом совершить работу, например, по перемещению груза. В таких случаях физики говорят, что пружина обладает потенциальной энергией.
Рис. 7. Деформированная — сжатая или растянутая пружина обладает потенциальной энергией
Эта энергия зависит от коэффициента жесткости пружины и от ее удлинения (или укорочения при сжатии).
Чем больше жесткость (упругость) пружины, тем больше ее потенциальная энергия. Увеличив удлинение пружины получим повышение ее потенциальной энергии по квадратичному закону:
[ large boxed{ E_{p} = frac{k}{2} cdot left( Delta L right)^{2} }]
( E_{p} left( text{Дж} right)) – потенциальная энергия сжатой или растянутой пружины;
( Delta L left(text{м} right) ) – удлинение пружины;
( displaystyle k left(frac{H}{text{м}} right) ) – коэффициент жесткости (упругости) пружины.
Выводы
- Упругие тела – такие, которые сопротивляются деформации;
- Во время деформации в упругих телах возникает сила, она препятствует деформации, ее называют силой упругости;
- Деформация – изменение формы, или размеров тела;
- Есть несколько видов деформации: изгиб, кручение, сдвиг, растяжение/сжатие;
- Удлинение пружины – это разность ее конечной и начальной длин;
- Сжатая или растянутая пружина обладает потенциальной энергией (вообще, любое упруго деформированное тело обладает потенциальной энергией);
- Система, состоящая из нескольких одинаковых пружин, будет иметь коэффициент жесткости, отличный от жесткости единственной пружины;
- Если пружины соединяют параллельно – коэффициент жесткости системы увеличивается;
- А если соединить пружины последовательно – коэффициент жесткости системы уменьшится.
Груз массой 45 кг с
помощью динамометра тянут равномерно по горизонтальной плоскости. Определите
деформацию пружины динамометра, если ее жесткость равна 7,8 кH/м, сила упругости направлена под углом 30 градусов к горизонту,
а коэффициент трения скольжения груза по поверхности равен 0,26.
Решение.
Деформация пружины x связана
с ее жесткостью l и модулем силы упругости F
соотношением F = kx (закон
Гука), откуда x = F/k. Силу F можно найти с помощью
второго закона Ньютона.
На груз действуют сила
тяжести mg, сила упругости пружины F,
сила нормальной реакции опоры N и сила трения Fтр . По второму закону
Ньютона получаем.
Запишем теперь его в
проекциях на координатные оси OX
и OY.
Кроме того, Fтр = mN. Решаем полученную систему уравнений и находим F.
Ответ: x = 15 мм.
Источник: Подготовка к тестированию по физике. Шепелевич. В. Г.
Сила упругости — сила, которая возникает при деформациях тел в качестве ответной реакции на внешнее воздействие. Сила упругости имеет электромагнитную природу.
Деформация — изменение формы или объема тела.
Виды деформаций
- сжатие;
- растяжение;
- изгиб (сжатие и растяжение в комбинации);
- сдвиг;
- кручение (частный случай сдвига).
Сила упругости обозначается как Fупр. Единица измерения — Ньютон (Н). Сила упругости направлена противоположно перемещению частиц при деформации.
Если после окончания действия внешних сил тело возвращает прежние форму и объем, то деформацию и само тело называю упругими. Если после окончания действия внешних сил тело остается деформированным, то деформацию и само тело называют пластическими, или неупругими.
Примеры упругой деформации:
- Сжатый воздушный шарик распрямляется после того, как его отпустят.
- Если согнуть ластик, а затем отпустить, он распрямится.
- Мостик из доски, перекинутой через ручей, прогибается под пешеходом. Но когда пешеход ступает на землю, доска распрямляется.
Примеры пластической деформации:
- Скомканная бумага остается скомканной и после того, как ее отпустили.
- Пластилин сохраняет форму вылепленной из него фигуры.
- Согнутая металлическая пластина остается согнутой.
Закон Гука
При упругой деформации есть взаимосвязь между силой упругости, возникающей в результате деформации, и удлинением деформируемого тела. Эту взаимосвязь первым обнаружил английский ученый Роберт Гук.
Закон Гука
Модуль силы упругости, возникающей при деформации тела, пропорционален его удлинению.
x — абсолютное удлинение (деформация), k — коэффициент жесткости тела.
Абсолютное удлинение определяется формулой:
l0 — начальная длина тела, l — длина деформированного тела, ∆l — изменение длины тела.
Коэффициент жесткости тела определяется формулой:
E — модуль упругости (модуль Юнга). Каждое вещество обладает своим модулем упругости. S — площадь сечения тела.
Важно! Закон Гука не работает в случае, если деформация была пластической.
Пример №1. Под действием силы 3Н пружина удлинилась на 4 см. Найти модуль силы, под действием которой удлинение пружины составит 6 см.
Согласно третьему закону Ньютона модуль силы упругости будет равен модулю приложенной к пружине силе. В обоих случаях постоянной величиной окажется только жесткость пружины. Выразим ее из закона Гука и применим к каждому из случаев:
Приравняем правые части формул:
Выразим и вычислим силу упругости, возникающую, когда удлинение пружины составит 6 см:
Полезные факты
Если пружину растягивают две противоположные силы, то модули силы упругости и модули этих сил равны между собой:
F1 = F2 = Fупр
Если груз подвешен к пружине, сила упругости будет равна силе тяжести, действующей на это тело:
Fупр = Fтяж = mg.
Если пружины соединены параллельно, их суммарный коэффициент жесткости будет равен сумме коэффициентов жесткости каждой из этих пружин:
Если пружины соединены последовательно, их обратное значение суммарного коэффициента жесткости будет равен сумме обратных коэффициентов жесткости для каждой из пружин:
Пример №2. Две пружины соединены параллельно. Жесткость одной из пружин равна 1000 Нм, второй — 4000 Нм. Когда к пружинам подвесили груз, они удлинились на 5 см. Найти силу тяжести груза.
Переведем сантиметры в метры: 5 см = 5∙10–2 м.
Запишем закон Гука с учетом параллельного соединения пружин:
Модуль силы тяжести согласно третьему закону Ньютона равен модулю силы упругости. Отсюда:
Задание E17590
На рисунке представлен график зависимости модуля силы упругости от удлинения пружины. Какова жёсткость пружины?
а) 250 Н/м
б) 160 Н/м
в) 2,5 Н/м
г) 1,6 Н/м
Алгоритм решения
2.Выразить из закона Гука формулу для вычисления коэффициента упругости.
3.Выбрать любую точку графика и извлечь из нее исходные данные.
4.Перевести единицы измерения в СИ.
5.Вычислить коэффициент упругости, используя извлеченные из графика данные.
Решение
Запишем закон Гука:
Fупр = kx
Отсюда коэффициент упругости пружины равен:
Возьмем на графике точку, соответствующую удлинению пружины 16 см. Ей соответствует модуль силы упругости, равный 40 Н. Переведем сантиметры в метры: 16 см = 0,16 м.
Вычислим жесткость пружины:
Ответ: а
pазбирался: Алиса Никитина | обсудить разбор
Задание EF18489
Кубик массой 1 кг покоится на гладком горизонтальном столе, сжатый с боков пружинами (см. рисунок). Первая пружина сжата на 4 см, а вторая сжата на 3 см. Жёсткость второй пружины k2 = 600 Н/м. Чему равна жёсткость первой пружины k1?
Алгоритм решения
- Записать исходные данные.
- Записать закон Гука.
- Применить закон Гука к обеим пружинам.
- Применить третий закон Ньютона.
- Выразить жесткость первой пружины.
- Вычислить искомую величину.
Решение
Запишем исходные данные:
- Сжатие первой пружины x1 — 4 см.
- Сжатие второй пружины x2 — 3 см.
- Жесткость второй пружины k2 — 600 Н/м.
Запишем закон Гука:
Fупр = kx
Применим этот закон к обеим пружинам:
Fупр1 = k1x1
Fупр2 = k2x2
Силы упругости обеих пружин уравновешены, так как тело между ними покоится. Согласно третьему закону Ньютона:
Fупр1 = Fупр2
Отсюда:
k1x1 = k2x2
Выразим отсюда жесткость первой пружины:
Подставим известные данные и вычислим:
Внимание! В данном случае переводить единицы измерения в СИ не нужно. Отношение длин постоянно независимо от выбранной единицы измерения.
Ответ: 450
pазбирался: Алиса Никитина | обсудить разбор
Задание EF17520
Две упругие пружины растягиваются силами одной и той же величины F. Удлинение второй пружины Δl2 в 2 раза меньше, чем удлинение первой пружины Δl1. Жёсткость первой пружины равна k1, а жёсткость второй k2 равна…
а) 0,25k1
б) 2k1
в) 0,5k1
г) 4k1
Алгоритм решения
- Записать исходные данные.
- Записать закон Гука.
- Применить закон Гука к обеим пружинам.
- Выразить величину жесткости второй пружины.
Решение
Записываем исходные данные:
- Первая и вторая пружины растягиваются под действием одной и той же силы. Поэтому: F1 = F2 = F.
- Удлинение первой пружины равно: Δl1 = 2l.
- Удлинение второй пружины вдвое меньше удлинения первой. Поэтому: Δl2 = l.
Закон Гука выглядит следующим образом:
F = k Δl
Применим закон Гука для обеих пружин:
F1 = k1 Δl1
F2 = k2 Δl2
Так как первая и вторая силы равны, можем приравнять правые части выражений. Получим:
k1 Δl1 = k2 Δl2
Перепишем выражение с учетом значения удлинений первой и второй пружин:
k1 2l = k2 l
«l» в левой и правой частях выражения взаимоуничтожаются, отсюда жесткость второй пружины равна:
k2 = 2k1
Ответ: б
pазбирался: Алиса Никитина | обсудить разбор
Алиса Никитина | Просмотров: 6.9k
При действии на тело внешней силы онодеформируется (происходит изменение размеров, объема и часто формы тела). В ходе деформации твердого тела возникают смещения частиц, находящихся в узлах кристаллической решетки из начальных положений равновесия в новые положения. Такому сдвигу препятствуют силы, с которыми частицы взаимодействуют. В результате появляются внутренние силы упругости, уравновешивающие внешние силы. Эти силы приложены к деформированному телу. Величина сил упругости пропорциональна деформации тела.
Закон Гука
Пружину можно сжимать, растягивать, изгибать или скручивать. В каждом из этих случаев будут возникать силы упругости, стремящиеся вернуть форму и размеры пружины в начальное состояние. Для понимания основных закономерностей будем рассматривать только линейные сжатия и растяжения (вдоль оси х). Для вычисления сил при деформациях изгибов и скручивании требуется применение более сложного математического аппарата.
Рис. 1. Деформации растяжения и сжатия пружины.
Если начальная длина, ненапряженной пружины, равна L0, то для малых деформаций выполняется закон Гука, открытый экспериментально:
$ F_уп = − k * Δх $ (1),
где, в формуле силы упругости пружины:
Fуп — сила упругости пружины, Н;
k — коэффициент жесткости пружины, Н/м;
Δх —величина деформации (дельта икс), м.
Величина малых деформаций должна быть намного меньше начальной длины пружины:
$ Δх
Рис. 2. Портрет Роберта Гука.
Этот фундаментальный закон был открыт английским ученым Робертом Гуком в 1660г. Кроме этого он сделал много других замечательных изобретений и экспериментов:
- открыл эффект образования цветов тонких пленок, которое в оптике называется явлением интерференции;
- предложил модель волнообразного распространения света;
- сформулировал предположение о связи теплоты с движением частиц, из которых состоит тело;
- изобрел спиральную пружину для регулировки часов, усовершенствовал барометр, гигрометр, анемометр.
Определение и формула силы упругости
Определение
Силой упругости
называют силу, имеющую электромагнитную природу, которая возникает в результате деформации тела, как ответ на внешнее воздействие.
Упругой называют деформацию, при которой после прекращения действия внешней силы тело восстанавливает свои прежние форму и размеры, деформация исчезает. Деформация носит упругий характер только в том случае, если внешняя сила не превышает некоторого определенного значения, называемого пределом упругости. Сила упругости при упругих деформациях является потенциальной. Направление вектора силы упругости противоположно направлению вектора перемещения при деформации. Или по-другому можно сказать, что сила упругости направлена против перемещения частиц при деформации.
Динамометры
Упругие свойства пружин используются в приборах для измерения силы. Обычно динамометр состоит из двух основных частей: пружины (упругий элемент) и шкалы устройства, на которой нанесены цифровые значения силы или массы, если этот прибор предназначен для бытового применения. Измеряемое усилие прикладывается к пружине, которая деформируется и сдвигает стрелку прибора вдоль отсчетной шкалы.
Рис. 3. Пружинные динамометры.
Хотя закон Гука и считается универсальным, но диапазон деформаций в котором он выполняется сильно отличается для разных тел. Например, в металлических проволоках (прямолинейных) и стержнях максимальная величина относительной деформации (отношение Δх к L0), для которой еще будет справедлив закон Гука, составляет не более 1%. При больших деформациях наступают необратимые разрушения материалов.
Характеристики упругих свойств твердых тел
Упругие свойства твердых тел характеризуют при помощи напряжения, которое часто обозначают буквой $sigma$ . Напряжение – это физическая величина, равная упругой силе, которая приходится на единичное сечение тела:
$$sigma=frac{d F_{u p r}}{d S}(1)$$
где dFupr – элемент силы упругости тела; dS – элемент площади сечения тела. Напряжение называется нормальным, если вектор $d bar{F}_{u p r}$ перпендикулярен к dS.
Формулой для расчета силы упругости служит выражение:
$$d F_{u p r}=sigma d S=K frac{Delta x}{x} d S(2)$$
где $frac{Delta x}{x}$ — относительная деформация, $Delta x$ – абсолютная деформация, x–первоначальное значение величины, которая характеризовала форму или размеры тела; K – модуль упругости ( $k = sigma$ при ( $frac{Delta x}{x} = 1$ ). Величину обратную модулю упругости называют коэффициентом упругости. Проще говоря, сила упругости по величине пропорциональная величине деформации.
Свойства пружины
Пружина — это объект, который может деформироваться под воздействием силы, а после того как сила будет устранена, вернётся к своей первоначальной форме. Пружины бывают самых разных форм и являются неотъемлемой частью практически всех умеренно сложных механических устройств: от шариковых ручек до двигателей гоночных автомобилей.
В самой форме спиральной пружины нет никаких особенностей. «Пружинность», или, точнее, эластичность, является фундаментальным свойством проволоки, из которой изготовлена пружина. Длинная прямая металлическая проволока также обладает способностью «отскакивать» после растяжения или скручивания.
Смотка проволоки в пружину позволяет использовать свойства длинного куска в небольшом пространстве. Это гораздо удобнее для сборки механических устройств.
Реакция металлической проволоки на растяжение (осевая нагрузка) и скручивание (кручение) определяется различными физическими свойствами, и в конструкции конкретной пружины один вид деформации может преобладать над другим.
Кроме того, упругие свойства металлов сильно зависят от микроструктуры их зёрен. Это может быть изменено как напряжением, так и контролируемым процессом нагрева и охлаждения, известным как отжиг.
Если металлическая проволока была сформирована из прямого сечения в катушку, то, вероятно, её необходимо будет повторно отжечь для восстановления первоначальных упругих свойств.
Билет 10
1. Силы упругости. Виды деформации: растяжение, изгиб, сдвиг, кручение. Механическое напряжение. Закон Гука, модуль Юнга, коэффициент Пуассона
Си́ла упру́гости — сила, возникающая при деформации тела и противодействующая этой деформации.
Сила упругости имеет электромагнитную природу, являясь макроскопическим проявлением межмолекулярного взаимодействия. В простейшем случае растяжения/сжатия тела сила упругости направлена противоположно смещению частиц тела, перпендикулярно поверхности.
Деформа́ция — изменение взаимного положения частиц тела, связанное с их перемещением относительно друг друга.
Наиболее простые виды деформации тела в целом:
· растяжение-сжатие,
· сдвиг,
· изгиб,
· кручение.
В большинстве практических случаев наблюдаемая деформация представляет собой совмещение нескольких одновременных простых деформаций. В конечном счёте, однако, любую деформацию можно свести к двум наиболее простым: растяжению (или сжатию) и сдвигу.
Растяжение-сжатие — вид продольной деформации стержня или бруса, возникающий в том случае, когда нагрузка прикладывается по продольной оси стержня и проходит через его центр масс.
Сдвиг — вид продольной деформации бруса, возникающий в том случае, если сила прикладывается касательно его поверхности (при этом нижняя часть бруска закреплена неподвижно).
Изгиб — вид деформации, при котором происходит искривление осей прямых брусьев или изменение кривизны осей кривых брусьев.
Кручение —вид деформации тела, возникающий в том случае, если нагрузка прикладывается к телу в виде пары сил (момента) в его поперечной плоскости. При этом в поперечных сечениях тела возникает только один внутренний силовой фактор —крутящий момент.
Упругая деформация — деформация, исчезающая после прекращения действий внешних сил. При этом тело принимает первоначальные размеры и форму.
Пластическая деформация — деформация, не исчезающая или исчезающая не полностью после прекращения действий внешних сил.
Механическое напряжение — это векторная физическая величина, мера внутренних сил, возникающих в деформируемом теле, под влиянием различных факторов.
Зако́н Гу́ка — уравнение теории упругости, связывающее напряжение и деформацию упругой среды.
Сила упругости, возникающая в теле при его деформации, прямо пропорциональна величине этой деформации.
Для тонкого растяжимого стержня закон Гука имеет вид:
Коэффициент упругости (размерность L0MT-2) зависит как от свойств материала, так и от размеров стержня. Можно выделить зависимость от размеров стержня (площади поперечного сечения и длины ) явно, записав коэффициент упругости как
Модуль Юнга (модуль упругости) — физическая величина, характеризующая свойства материала сопротивляться растяжению/сжатию при упругой деформации. Назван в честь английского физика XIX века Томаса Юнга. В динамических задачах механики модуль Юнга рассматривается в более общем смысле — как функционал среды и процесса. В Международной системе единиц (СИ) измеряется в ньютонах на метр в квадрате или в паскалях.
Модуль Юнга рассчитывается следующим образом:
Если ввести относительное удлинение
и нормальное напряжение в поперечном сечении
то закон Гука для относительных величин запишется как
В такой форме он справедлив для любых малых объёмов материала.
Также при расчёте прямых стержней применяют запись закона Гука в относительной форме
Область пропор- циональности
Коэффициент Пуассона (обозначается как или ) — абсолютная величина отношения поперечной и продольной относительной деформации образца материала. Этот коэффициент зависит не от размеров тела, а от природы материала, из которого изготовлен образец.
,
где
— коэффициент Пуассона;
— деформация в поперечном направлении (отрицательна при осевом растяжении, положительна при осевом сжатии);
— продольная деформация (положительна при осевом растяжении, отрицательна при осевом сжатии).
При приложении к телу растягивающего усилия оно начинает удлиняться (то есть продольная длина увеличивается), а поперечное сечение уменьшается. Коэффициент Пуассона показывает, во сколько раз поперечная деформация деформируемого тела больше продольной деформации, при его растяжении или сжатии. Для абсолютно хрупкого материала коэффициент Пуассона равен 0, для абсолютно несжимаемого — 0,5. Для большинства сталей этот коэффициент лежит в районе 0,3, для резины он примерно равен 0,5.
Модуль Юнга
Модуль Юнга (также известный как модуль упругости) — это число, которое измеряет сопротивление материала упругой деформации. Оно названо в честь физика XVII века Томаса Юнга. Чем жёстче материал, тем выше его модуль Юнга.
Это значение обычно обозначается символом E и записывается как E = σ/ε, где:
- σ (сигма) представляет собой одноосное напряжение, или одноосное усилие на единицу поверхности в паскалях.
- ε (эпсилон) является деформацией или пропорциональной деформацией (изменение длины, делённое на исходную длину).
Модуль Юнга можно определить при любом напряжении, но там, где он подчиняется закону Гука, это постоянная величина. Можно непосредственно получить постоянную пружины k из модуля материала, области A, к которой приложена сила (поскольку напряжение зависит от площади), и номинальной длины материала L.
Практическое использование
Модуль Юнга позволяет рассчитать изменение размера стержня из изотропного упругого материала при растягивающих или сжимающих нагрузках. Например, он предсказывает, насколько образец материала растягивается при растяжении или укорачивается при сжатии.
Модуль непосредственно относится к случаям одноосного напряжения, то есть растягивающего или сжимающего напряжения в одном направлении и отсутствия напряжения в других направлениях.
Он также используется, чтобы найти отклонение, которое будет появляться в статически определённом луче, когда нагрузка приложена в точке между опорами луча. Другие вычисления обычно требуют использования одного дополнительного упругого свойства, такого как модуль сдвига, модуль объёма или коэффициент Пуассона. Любые два из этих параметров достаточны для полного описания упругости в изотропном материале.
Виды материалов
Сталь, углеродное волокно и стекло среди прочих обычно считаются линейными материалами, в то время как другие материалы, такие как резина и грунты, являются нелинейными. Однако это не абсолютная классификация: если к нелинейному материалу применяется небольшое напряжение, отклик будет линейным. Например, поскольку линейная теория предполагает обратимость, было бы абсурдно использовать её для описания разрушения стального моста под большой нагрузкой.
Модуль не всегда одинаков во всех ориентациях материала. Большинство металлов и керамики, наряду со многими другими материалами, являются изотропными, и их механические свойства одинаковы во всех ориентациях. Тем не менее металлы и керамика могут быть обработаны определёнными примесями, чтобы сделать их структуры зерна направленными.
Эти материалы затем становятся анизотропными, и модуль Юнга будет меняться в зависимости от направления вектора силы. Анизотропия также наблюдается во многих композитах. Например, углеродное волокно имеет гораздо более высокий модуль Юнга, когда сила нагружена параллельно волокнам (вдоль зерна). Другие такие материалы включают дерево и железобетон. Инженеры могут использовать это явление при создании конструкций.
Поскольку производители пружинных весов ожидают, что их продукт будет использоваться вертикально (например, рыбаком, измеряющим массу своей добычи), шкала откалибрована для учёта массы пружины и крючка. Это даст неверный абсолютный результат, если использовать его для измерения горизонтальной силы.
Тем не менее закон Гука говорит, что существует линейная зависимость между силой и растяжением. Из-за этого всё ещё можно рассчитывать на шкалу относительных измерений при горизонтальном использовании. Некоторые пружинные весы имеют регулировочный винт, который позволяет калибровать нулевую точку, устраняя эту проблему.
Продольное растяжение (сжатие)
Продольное (одностороннее) растяжение состоит в том, что под действием растягивающей (сжимающей) силы происходит увеличение (уменьшение) длины тела. Условием прекращения такого рода деформации является выполнение равенства:
$F = F_{upr} (3)$
где F – внешняя сила, приложенная к телу, Fupr – сила упругости тела. Мерой деформации в рассматриваемом процессе является относительное удлинение (сжатие) $left(frac{Delta l}{l}right)$ .
Тогда модуль силы упругости можно определить как:
$$F_{u p r}=E frac{Delta l}{l} S(4)$$
где E – модуль Юнга, который в рассматриваемом случае равен модулю упругости (E=K) и характеризующий упругие свойства тела; l – первоначальная длина тела; $Delta l$ – изменение длины при нагрузке F=F_upr. При $Delta l=l E=frac{F}{S}=sigma$ – площадь поперечного сечения образца.
Выражение (4) называют законом Гука.
В простейшем случае рассматривают силу упругости, которая возникает при растяжении (сжатии) пружины. Тогда закон Гука записывают как:
$$F_{x}=k x(5)$$
где Fx – модуль проекции силы упругости; k – коэффициент жесткости пружины, x – удлинение пружины.
Деформация сдвига
Сдвигом называют деформацию, при которой все слои тела, являющиеся параллельными некоторой плоскости, смещаются друг относительно друга. При сдвиге объем тела, которое было деформировано, не изменяется. Отрезок, на который смещается одна плоскость относительно другой, называют абсолютным сдвигом (рис.1 отрезок AA’). Если угол сдвига ($alpha$) мал, то $alpha approx t g alpha=frac{A A^{prime}}{A B}$ . Этим углом ? (относительный сдвиг) характеризуют относительную деформацию. При этом напряжение $sigma$ равно:
$$sigma=G alpha(6)$$
где G – модуль сдвига.