Теория:
Известно, что на все тела, находящиеся на Земле, действует сила тяжести, обусловленная гравитацией.
Какие ещё силы могут возникнуть? Рассмотрим несколько примеров.
\(1\). На книгу, лежащую на столе, также действует сила тяжести, которая направлена к центру Земли.
Книга не проваливается сквозь стол, а находится в покое.
Значит, существует сила, которая уравновешивает силу тяжести.
\(2\). Рассмотрим тело, подвешенное на нити. Сила тяжести будет направлена вниз.
Тело не может упасть, потому что силу тяжести компенсирует сила натяжения нити.
\(3\). Проведём опыт.
Позволим гире опуститься на середину доски на опорах.
Сила тяжести гири воздействует на доску и оказывает деформацию изгиба — заставляет сгибаться. Свойство упругости доски вызывает противоположную силу — силу реакции опоры — для того, чтобы вернуться в исходное, недеформированное состояние. Обе силы направлены вдоль одной прямой через центр масс гири, но направления противоположны, поэтому сумма сил равна нулю.
Под весом гири доска прогнулась — изменила свою форму.
Деформацией тела называют изменение размера или формы тела под воздействием внешних сил.
При изменении формы и размера под воздействием деформирующих сил каждое упругое тело пытается вернуться в начальное состояние.
Сила упругости — сила, которая возникает при деформации тела и стремится вернуть его
в исходное состояние.
Сила упругости — векторная величина, обозначается \(\vec{F}\)\(_{упр}\).
Чем сильнее давит тело на опору, тем больше деформация и возникающая в ответ на деформацию сила упругости. Деформация опоры прекращается в тот момент, когда действующие по вертикали силы уравновесят друг друга (сила упругости равна силе тяжести).
Если исчезнет деформирующая сила, то исчезнет и сила упругости.
В зависимости от приложенных сил различают виды деформации:
- деформация растяжения и сжатия;
- деформация сдвига;
- деформация изгиба;
- деформация кручения.
Деформация называется упругой в случае, если тело полностью восстановило свою форму и объём после прекращения действия деформирующей силы.
\(4\). Рассмотрим силы, действующие в опыте с гирей, подвешенной на нити.
Синей стрелкой обозначен вектор силы тяжести \(\vec{F_2}\), направленной к центру Земли (вертикально вниз). Силе тяжести противодействует сила упругости нити \(\vec{F_1}\), называемая силой натяжения нити. Она обозначена красной стрелкой, направленной вверх.
Гиря не движется, значит, силы компенсируют друг друга, сила тяжести равна силе упругости: \(\vec{F_1}-\vec{F_2}=0\); но направлена противоположно.
Подвесом называют нить, на которую подвешивается тело. Обычно имеют в виду нерастяжимую прочную нить.
Подвесом может быть упругое тело: пружина, резина. Значит, оно может растягиваться (деформироваться) под действием силы тяжести тела. При растяжении длина подвеса изменяется на некоторую величину, которую называют удлинением: \(\Delta l=l-l_0\), где \(l_0\) — начальная длина нити, а \(l\) — конечная длина.
Закон Гука: изменение длины тела при растяжении (или сжатии) прямо пропорционально модулю силы упругости
, где
\(Δl\) — удлинение тела (изменение его длины),
\(k\) — коэффициент пропорциональности, который называется жёсткостью (пружины), которая зависит от материала.
Закон Гука работает только в случае, если деформация была упругая.