Сила – это фундаментальное понятие, которое лежит в основе нашего мира. Она отвечает за всё, от падения яблока с дерева до движения космических кораблей. В физике сила определяется как векторная величина, которая является возмерой действия одного тела на другое. В этой статье мы рассмотрели, в чем измеряется сила упругости и как её вычислить.

Что такое сила – что за величина

Проще говоря, сила – это то, что заставляет объекты двигаться, изменять свою скорость или форму. Единица измерения силы – ньютон (Н) – названа в честь великого английского физика Исаака Ньютона. Важным аспектом силы является её векторный характер. Это означает, что у нее есть не только модуль, определяющий её величину, но и направление. Куда направлена сила упругости, туда будет двигаться тело. От этого зависит, как оно изменит свою форму или скорость.

Сила упругости – закон Гука

Представьте, что вы стоите на сноуборде. Отталкиваясь ногой вправо, вы заставляете сноуборд двигаться вправо. Если же вы оттолкнетесь влево, то движение будет в противоположном направлении. В этом случае сила, приложенная вашей ногой к сноуборду, и определяет направление его движения.

Рассмотрим другой пример – баскетбол. Набивая мяч о пол, вы совершаете удар. Если мяч отскакивает от земли, то этот удар называется упругим. При ударе мяч не деформируется, значит, он является абсолютно упругим. Если же вы возьмете пластилиновый мяч, он сомнётся от удара и не отскочит от пола. Такой удар будет абсолютно неупругим.

Деформации, как и удары, могут быть упругими (тело возвращается в исходное состояние) или неупругими (когда тело сжимается, растягивается или увеличивается в размере). Когда предмет деформируется, то появляется сила упругости. Она старается вернуть данный предмет в исходное состояние.

Сила упругости, возникающая при упругой деформации растяжения или сжатия предмета, всегда будет пропорциональна изменению длины данного предмета. Такая закономерность получила название «закон Гука».

Закон Гука записывается следующим образом:

Fупр = kx

Где:

• Fупр – сила упругости (Н);
• k – коэффициент жёсткости (Н/м);
• x – изменение длины (деформация) (м).

Коэффициент жёсткости – это характеристика материала, которая показывает, насколько сильно он сопротивляется деформации. Чем больше коэффициент жёсткости, тем больше сила, необходимая для деформации тела.

Таким образом, сила является основополагающим понятием в физике, которое помогает понять, как взаимодействуют объекты в нашем мире. Изучая силу и её проявления, мы можем предсказывать поведение объектов и создавать новые технологии, которые меняют наш мир.

Деформация

В физике сила упругости – это сила, возникающая в теле при его деформации и направленная в сторону, противоположную деформации. Она стремится вернуть тело в исходное положение после прекращения действия внешней силы.

Деформация – это изменение формы и размеров тела под воздействием внешних сил. Существует несколько видов деформации:

• Растяжение: увеличение длины тела под воздействием растягивающей силы.
• Сжатие: уменьшение длины тела под воздействием сжимающей силы.
• Сдвиг: изменение формы тела при воздействии касательных сил, например, при сдвиге книги по столу.
• Кручение: изменение формы тела при воздействии сил, стремящихся повернуть его вокруг оси.
• Изгиб: изменение формы тела (сгибание) при воздействии силы.

Сила упругости играет важную роль во многих физических процессах, например:

• В основе работы динамометра лежит принцип упругости.
• Пружины на основе этого принципа используются в различных механизмах: в часах, автомобильных подвесках и других устройствах.
• Когда тело находится на поверхности, сила упругости возникает как реакция опоры, поддерживающая тело.
• Сила упругости возникает между молекулами вещества при их взаимодействии.

Стоит отметить:

• Закон Гука справедлив только для малых деформаций, т.е. пока тело не деформируется пластически.
• При больших деформациях материал теряет свою упругость и не возвращается в исходное состояние.
• Пластическая деформация – это необратимое изменение формы и размеров тела, которое остается даже после снятия внешней силы.

В законе Гука есть такая величина, как коэффициент жёсткости – это характеристика тела, которая показывает его способность сопротивляться деформации. Чем больше коэффициент жёсткости, тем больше эта способность, а, как следствие, больше и сила упругости.

Чаще всего эта характеристика используется для описания жёсткости пружины. Но если мы соединим несколько пружин, то их суммарную жёсткость нужно будет рассчитать.

Параллельное соединение пружин

Параллельное соединение системы пружин характерно наличием двух точек соединения пружин.

В случае, когда пружины соединены параллельно величина общего коэффициента жёсткости системы будет увеличиваться. Формула для расчёта будет выглядеть следующим образом.

Последовательное соединение пружин

Последовательное соединение характерно наличием одной точки соединения пружин.

При последовательном соединении общая жёсткость системы уменьшается. Формула для расчёта коэффициента упругости будет выглядеть следующим образом.

Зависимость силы упругости от жёсткости

Сила упругости – это сила, возникающая в теле при его деформации и направленная в сторону восстановления исходной формы и размеров. Эта сила зависит от свойств материала, в том числе от его жёсткости. Жёсткость материала определяется его способностью сопротивляться деформации под воздействием нагрузки.

Чем жёстче материал, тем больше сила упругости, необходимая для его деформации. Это означает, что материалы с большей жёсткостью будут иметь более высокую силу упругости. Например, сталь обладает высокой жёсткостью, что делает её отличным материалом для конструкций, требующих высокой прочности и устойчивости.

Материалы с низкой жёсткостью, такие как резина, могут иметь более низкую силу упругости, но при этом обладают большей способностью к деформации без разрушения. Инженеры и дизайнеры учитывают зависимость силы упругости от жёсткости при выборе материалов для различных конструкций. Понимание этой зависимости помогает создавать более эффективные и надежные материалы, соответствующие требованиям проекта.

FAQ

Что такое модуль Юнга?

Модуль Юнга – это физическая величина, характеризующая жёсткость материала и его способность сопротивляться деформации под действием напряжения. Этот параметр также называется модулем упругости продольного растяжения. Модуль Юнга обозначается буквой E и измеряется в паскалях (Па) или в мегапаскалях (МПа).

Модуль Юнга определяется как отношение напряжения к деформации вдоль оси, по которой материал подвергается растяжению или сжатию. Формула для расчёта модуля Юнга выглядит следующим образом:

E = σ / ε,

где E – модуль Юнга, σ – сигма, напряжение (сила, действующая на единицу площади), ε – эпсилон, деформация (изменение длины материала относительно его начальной длины).

Знание модуля Юнга для различных материалов позволяет инженерам и дизайнерам выбирать подходящие материалы для конкретных задач, учитывая требования к прочности, жёсткости и упругости конструкций. Модуль Юнга является важным параметром при проектировании и анализе механических систем и материалов.

Вывод

• Сила упругости – важная физическая величина, играющая значительную роль во многих физических явлениях.
• Понимание концепции силы упругости и её связи с деформацией и коэффициентом жёсткости позволяет нам лучше понять поведение тел и использовать эти принципы в различных областях, от инженерии до биологии.
• Сила упругости и жёсткость материала тесно связаны и играют важную роль в механике материалов и инженерии.
• Найти силу упругости можно с помощью специальной формулы.