Forța unui arc comprimat. Forțe elastice, formule

Forța elasticității este una dintre forțele de interacțiune a corpurilor, iar mecanica o studiază. Cum apare, de ce depinde, unde este îndreptată? După ce ai citit articolul, vei afla răspunsurile la aceste întrebări.

Cum și când apare forța elasticității?

Hai sa facem un experiment:

• întărim arcul cu plastilină pe partea inferioară a unei suprafețe orizontale, de exemplu, o masă;
• atârnă o greutate mică de capătul liber al arcului.

Orez. 1. Forța elasticității

Din cauza acțiunii gravitației, sarcina a trebuit să cadă. De ce nu s-a întâmplat asta? Motivul este forța elastică care a acționat asupra sarcinii din partea laterală a arcului. În cazul general, apariția ei se datorează deformărilor: tensiune, compresiune, forfecare, torsiune sau încovoiere. În experimentul nostru, a apărut din cauza întinderii arcului.

Direcția forței elastice

Fiecare corp conține molecule și atomi, care sunt formați din particule încărcate. Se atrag și se resping reciproc cu o anumită forță. Care dintre aceste interacțiuni va prevala depinde de distanța dintre ele.

Orez. 2. Particule încărcate

O creștere a distanței duce la o creștere a acțiunii forțelor de atracție, o scădere a predominanței forțelor de respingere. Când corpul este în repaus, ambele forțe sunt în echilibru.

Din cele de mai sus, se poate spune fără ambiguitate de ce și unde este direcționată forța elastică. Direcția sa este opusă mișcării atomilor și moleculelor corpului, deoarece încearcă să restabilească forma inițială a corpului.

Interacțiunile dintre particulele încărcate determină natura electromagnetică a forței elastice.

Deformarea duce întotdeauna la apariția unei forțe elastice?

Amintiți-vă cât de ușor își restabilește forma arcul, dar plastilina îl păstrează întotdeauna. Acest lucru se întâmplă din cauza existenței a două cazuri limitative de deformații. Exemplul cu un arc demonstrează manifestarea elasticului, iar cu plastilină - deformare plastică.

Când vorbim despre forța elasticității, ne referim doar la deformarea elastică. În plus, valoarea sa este mică și nu durează mult. Deformarea plastică este caracterizată de alte forțe. Ele depind de rata de apariție a deformațiilor. Nu se studiază la cursul de fizică de clasa a X-a.

Relația dintre forța elastică și deformare

Care este relația dintre forța elastică și deformare? Cum să o găsesc? Răspunsurile la aceste întrebări au fost găsite de inventatorul și naturalistul englez Robert Hooke. Rezultatele experimentelor sale au arătat natura liniară a relației. În scris, legea pe care a stabilit-o este următoarea:

Fcontrol=k|Δl| sau Fcontrol=k|x|,

Unde k- coeficient de elasticitate, Δl, sau X- alungire absolută.

Δl, sau X este diferența dintre lungimea corpului deformat și lungimea inițială în metri (m).

k-rigiditate. Se exprimă în newtoni pe metru (N/m), iar valoarea sa este determinată de dimensiunile corpului și de proprietățile materialului. Unitate Fupr- newton (N).

Rețineți că legea lui Hooke se aplică numai în cazul deformațiilor elastice mici.

Orez. 3. Legea lui Hooke

Dacă dimensiunile nu joacă niciun rol, dar numai proprietățile materialului sunt importante, atunci constanta E poate fi înlocuită în formula forței elastice și legea poate fi scrisă după cum urmează:

Fcontrol=ESΔl/l0 sau Δl/l0=Fcontrol/ES,

Unde E- modulul de elasticitate (modulul Young) în N/m2=Pa, S- pătrat secțiune transversalăîn m2, ∆l/l0- deformare relativa, Fupr/S- Voltaj.

Ce am învățat?

După ce am citit articolul, am aflat de ce depinde forța elastică, cu ce sunt egali coeficienții din legea lui Hooke. Acum puteți rezolva în siguranță problemele pentru a determina rezistența elasticității.

Raport de evaluare

Rata medie: 3.9. Evaluări totale primite: 7.

În natură, totul este interconectat și interacționează continuu unul cu celălalt. Fiecare dintre părțile sale, fiecare dintre componentele și elementele sale este expusă constant unui întreg complex de forțe.

În ciuda faptului că numărul este destul de mare, toate pot fi împărțite în patru tipuri:

1. Forțe de natură gravitațională.

2. Forțe de natură electromagnetică.

3. Forțe de tip puternic.

În fizică există așa ceva ca deformarea elastică. Deformarea elastică este un fenomen de deformare în care dispare după ce forțele externe încetează să mai acționeze. După o astfel de deformare, corpul își ia forma inițială. Astfel, forța elastică, a cărei definiție spune că apare în corp după deformarea elastică, este o forță potențială. O forță potențială, sau o forță conservatoare, este o forță în care activitatea sa nu poate fi dependentă de traiectoria sa, ci depinde doar de punctele inițiale și finale de aplicare a forțelor. Lucrul unei forțe conservatoare sau potențiale de-a lungul unui drum închis va fi zero.

Putem spune că forța elastică are natură electromagnetică. Această forță poate fi apreciată ca o manifestare macroscopică a interacțiunii dintre moleculele unei substanțe sau corpului. În orice caz, în care apare fie compresia, fie întinderea corpului, se manifestă o forță elastică. Este îndreptată împotriva forței care produce deformarea, în direcția opusă deplasării particulelor. corp dat, și este perpendicular pe suprafața corpului aflat în curs de deformare. De asemenea, vectorul acestei forțe este îndreptat în direcția opusă deformării corpului (deplasarea moleculelor acestuia).

Calculul valorii forței elastice care apare în corp în timpul deformării are loc în funcție de acesta.În conformitate cu acesta, forța elastică este egală cu produsul dintre rigiditatea corpului și modificarea coeficientului de deformare a acestui corp. Conform legii lui Hooke, forța elastică care apare la o anumită deformare a unui corp sau substanță este direct proporțională cu alungirea acestui corp și este îndreptată în direcția opusă direcției în care particulele acestui corp se mișcă față de alte particule în momentul deformării.

Indicele de rigiditate al unui anumit corp sau coeficientul proporțional depinde de materialul utilizat pentru realizarea corpului. De asemenea, rigiditatea depinde de proporțiile geometrice și de forma corpului dat. În raport cu forța elastică, există și așa ceva ca o astfel de efort este raportul dintre modulul elastic și aria unității într-un punct dat al secțiunii luate în considerare. Dacă asociem legea lui Hooke cu acest tip de tensiune, atunci formularea sa va suna oarecum diferit. Efortul de tip mecanic care apare într-un corp atunci când acesta este deformat este întotdeauna proporțional cu alungirea relativă a acestui corp. Trebuie avut în vedere faptul că efectul legii lui Hooke se limitează doar la mici deformații. Există limite de deformare în care funcționează această lege. Dacă acestea sunt depășite, atunci forța elastică se va calcula conform formule complexe indiferent de legea lui Hooke.

Formula de rigiditate a arcului - poate cea mai mare punct importantîn tema acestor elemente elastice. La urma urmei, rigiditatea este cea care joacă un rol foarte important rol important de aceea aceste componente sunt utilizate atât de larg.

Astăzi, practic nicio ramură a industriei nu se poate lipsi de arcuri; acestea sunt utilizate în construcția de instrumente și mașini-unelte, agricultură, producția de echipamente miniere și feroviare, energie și alte industrii. Ei servesc cu fidelitate în locurile cele mai responsabile și critice ale diferitelor unități, unde caracteristicile lor inerente sunt cerute, în primul rând, rigiditatea arcului, a cărui formulă este, în general, foarte simplă și familiară copiilor de la școală.

Caracteristicile muncii

Orice arc este un produs elastic, care este supus sarcinilor statice, dinamice și ciclice în timpul funcționării. Caracteristica principală a acestei piese este că se deformează sub forța externă, iar când impactul se oprește, își restabilește forma și dimensiunile geometrice originale. În perioada de deformare, se acumulează energie, în timpul restaurării - transferul acesteia.

Această proprietate de a reveni la forma sa originală a adus utilizarea pe scară largă a acestor piese: sunt excelente amortizoare, elemente de supapă care previn excesul de presiune, componente pentru instrumente de masura. În aceste și alte situații, datorită capacității de a se deforma elastic, performează muncă importantă, deci sunt necesare calitate superioară si fiabilitate.

Tipuri de arcuri

Există multe tipuri de aceste piese, cele mai comune sunt arcurile de tracțiune și compresie.

• Primul dintre ele fără sarcină are un pas zero, adică bobina este în contact cu bobina. În procesul de deformare, se întind, lungimea lor crește. Terminarea sarcinii este însoțită de revenirea la forma sa originală - din nou bobină la bobină.
• Acesta din urmă, dimpotrivă, se înfășoară inițial cu un anumit pas între viraje și se micșorează sub sarcină. Contactul virajelor este un limitator natural pentru expunerea continuă.

Inițial, pentru arcul de tensiune a fost găsit raportul dintre masa sarcinii suspendate pe acesta și modificarea dimensiunii sale geometrice, care a devenit baza pentru formula pentru rigiditatea arcului prin masă și lungime.

Ce alte tipuri de arcuri sunt

Dependența deformării de forța externă aplicată este valabilă și pentru alte tipuri de piese elastice: torsiune, încovoiere, în formă de disc și altele. Nu contează în ce forțe plane li se aplică: în cel în care se află linia axială, sau perpendiculară pe aceasta, deformația produsă este proporțională cu forța sub influența căreia s-a produs.

Principalele caracteristici

Indiferent de tipul de arcuri, caracteristicile muncii lor asociate cu deformarea constantă necesită următorii parametri:

• Capacitatea de a menține o valoare constantă a elasticității pentru o perioadă dată.
• plasticitate.
• Rezistență la relaxare, datorită căreia deformările nu devin ireversibile.
• Forța, adică capacitatea de a rezista tipuri diferite sarcini: statice, dinamice, de impact.

Fiecare dintre aceste caracteristici este importantă, totuși, atunci când alegeți o componentă elastică pt muncă specificăîn primul rând, sunt interesați de rigiditatea acesteia ca indicator important al faptului că este potrivit pentru această afacere și cât timp va funcționa.

Ce este rigiditatea

Rigiditatea este o caracteristică a unei piese care arată cât de ușor sau simplu va fi să o comprimați, cât de multă forță trebuie aplicată pentru a face acest lucru. Se dovedește că deformația care apare sub sarcină este cu atât mai mare, cu atât forța aplicată este mai mare (la urma urmei, forța elastică care apare în opoziție cu aceasta are aceeași valoare în modul). Prin urmare, se poate determina gradul de deformare, cunoscând forța elasticității (forța aplicată) și invers, cunoscând deformația necesară, se poate calcula ce forță este necesară.

Fundamentele fizice ale conceptului de rigiditate/elasticitate

Forța care acționează asupra arcului își schimbă forma. De exemplu, arcuri de tensiune/compresiune sub influență influență externă scurtează sau prelungește. Conform legii lui Hooke (acesta este numele formulei care vă permite să calculați coeficientul de rigiditate a arcului), forța și deformarea sunt proporționale între ele în limitele elasticității unei anumite substanțe. În opoziție cu sarcina aplicată din exterior, apare o forță care este aceeași ca mărime și opus ca semn, care are ca scop restabilirea dimensiunilor originale ale piesei și a formei acesteia.

Natura acestei forțe elastice este electromagnetică, ea apare ca urmare a unei interacțiuni speciale între elementele structurale (molecule și atomi) materialului din care este făcută această piesă. Astfel, cu cât rigiditatea este mai mare, adică cu cât este mai dificilă întinderea/comprimarea piesei elastice, cu atât coeficientul de elasticitate este mai mare. Acest indicator este utilizat, în special, atunci când alegeți un anumit material pentru fabricarea arcurilor pentru utilizare în diferite situații.

Cum a apărut prima versiune a formulei

Formula de calcul a rigidității unui arc, care se numește legea lui Hooke, a fost stabilită experimental. În cursul experimentelor cu sarcini suspendate pe un element elastic greutate diferită a fost măsurată amploarea expansiunii sale. Așa că s-a dovedit că aceeași piesă de testare sub sarcini diferite suferă deformări diferite. Și agățat o anumită sumă greutățile de aceeași masă au arătat că fiecare greutate adăugată/înlăturată crește/reduce lungimea elementului elastic cu aceeași cantitate.

În urma acestor experimente, a apărut următoarea formulă: kx \u003d mg, unde k este o constantă a coeficientului pentru un arc dat, x este modificarea lungimii arcului, m este masa acestuia și g este accelerația căderii libere (valoarea aproximativă este de 9,8 m / s²).

Astfel, s-a descoperit proprietatea rigidității care, la fel ca formula de determinare a coeficientului de elasticitate, își găsește cea mai largă aplicație în orice industrie.

Formula de rigiditate

Formula studiată de școlari moderni, cum să găsească coeficientul de rigiditate a arcului, este raportul dintre forță și mărime, care arată modificarea lungimii arcului în funcție de amploarea acestui impact (sau

egal cu acesta în modulul forţei elastice). Această formulă arată astfel: F = -kx. Din această formulă, coeficientul de rigiditate al elementului elastic este egal cu raportul dintre forța elastică și modificarea lungimii acestuia. ÎN sistem international unitati mărimi fizice Se măsoară în SI în newtoni pe metru (N/m).

O altă modalitate de a scrie formula: coeficientul Young

Deformarea la tracțiune/compresivă în fizică poate fi descrisă și printr-o lege Hooke ușor modificată. Formula include valorile deformarii relative (raportul dintre modificarea lungimii și valoarea sa inițială) și stresul (raportul forței și aria secțiunii transversale a piesei). Deformare relativă iar tensiunea conform acestei formule sunt proporționale, iar coeficientul de proporționalitate este reciproca modulului lui Young.

Modulul Young este interesant prin faptul că este determinat numai de proprietățile materialului și nu depinde în niciun fel nici de forma piesei, nici de dimensiunile acesteia.

De exemplu, modulul Young pentru 100

indiferent dacă aproximativ egal cu unu cu unsprezece zerouri (unitate - N/mp).

Sensul conceptului de coeficient de rigiditate

Coeficient de rigiditate - coeficient de proporționalitate din legea lui Hooke. Se mai numește pe bună dreptate și coeficientul de elasticitate.

De fapt, arată cantitatea de forță care trebuie aplicată elementului elastic pentru a-și modifica lungimea cu una (în sistemul de măsurare utilizat).

Valoarea acestui parametru depinde de mai mulți factori care caracterizează arcul:

• Materialul folosit la fabricarea sa.
• Forme și caracteristici de design.
• dimensiuni geometrice.

Conform acestui indicator, puteți

pentru a concluziona modul în care produsul este rezistent la efectele sarcinilor, adică care va fi rezistența acestuia atunci când se aplică o influență externă.

Caracteristici ale calculului arcurilor

Arătând cum să găsiți rigiditatea unui arc, formula este probabil una dintre cele mai utilizate de designerii moderni. La urma urmei, aceste părți elastice sunt folosite aproape peste tot, adică este necesar să se calculeze comportamentul lor și să se aleagă pe cele care vor face față în mod ideal sarcinilor lor.

Legea lui Hooke arată foarte simplist dependența deformării unei piese elastice de forța aplicată; inginerii folosesc formule mai precise pentru calcularea coeficientului de rigiditate, ținând cont de toate caracteristicile procesului în curs.

De exemplu:

• Un arc cilindric răsucit este considerat de ingineria modernă ca o spirală de sârmă cu sectiune rotunda, iar deformarea acesteia sub influența forțelor existente în sistem este reprezentată de un set de deplasări elementare.
• Când îndoirea este deformată, deformarea este considerată a fi deformarea unei tije situate cu capetele pe suporturi.

Caracteristici de calcul a rigidității conexiunilor cu arc

Un punct important este calculul mai multor elemente elastice conectate în serie sau în paralel.

Cu o aranjare paralelă a mai multor părți, rigiditatea generală a acestui sistem este determinată de o simplă sumă a coeficienților componentelor individuale. După cum puteți vedea cu ușurință, rigiditatea sistemului este mai mare decât cea a unei singure piese.

Cu un aranjament secvenţial, formula este mai complexă: reciproca rigidităţii totale este egală cu suma reciprocelor rigidităţii fiecărei componente. În această variantă, suma este mai mică decât termenii.

Folosind aceste dependențe, este ușor de determinat alegerea corecta componente elastice pentru un caz specific.

Este necesar să se cunoască punctul de aplicare și direcția fiecărei forțe. Este important să poți determina exact ce forțe acționează asupra corpului și în ce direcție. Forța se notează ca , măsurată în Newtoni. Pentru a face distincția între forțe, acestea sunt desemnate după cum urmează

Mai jos sunt principalele forțe care acționează în natură. Este imposibil să inventezi forțe inexistente atunci când rezolvi probleme!

Există multe forțe în natură. Aici luăm în considerare forțele care sunt luate în considerare la cursul de fizică școlară atunci când studiem dinamica. Sunt menționate și alte forțe, care vor fi discutate în alte secțiuni.

Gravitatie

Fiecare corp de pe planetă este afectat de gravitația Pământului. Forța cu care Pământul atrage fiecare corp este determinată de formula

Punctul de aplicare este în centrul de greutate al corpului. Gravitatie întotdeauna îndreptată vertical în jos.

Forța de frecare

Să ne familiarizăm cu forța de frecare. Această forță apare atunci când corpurile se mișcă și două suprafețe intră în contact. Forța apare ca urmare a faptului că suprafețele, atunci când sunt privite la microscop, nu sunt netede așa cum par. Forța de frecare este determinată de formula:

Se aplică o forță în punctul de contact dintre două suprafețe. Dirijată în direcția opusă mișcării.

Susține forța de reacție

Imaginați-vă un obiect foarte greu întins pe o masă. Masa se îndoaie sub greutatea obiectului. Dar conform celei de-a treia legi a lui Newton, masa acționează asupra obiectului cu exact aceeași forță ca și obiectul de pe masă. Forța este îndreptată opus forței cu care obiectul apasă pe masă. Asta e până. Această forță se numește reacție de sprijin. Numele forței „vorbește” reacționează sprijinul. Această forță apare ori de câte ori există un impact asupra suportului. Natura apariției sale la nivel molecular. Obiectul, așa cum spune, a deformat poziția și conexiunile obișnuite ale moleculelor (în interiorul tabelului), acestea, la rândul lor, tind să revină la starea lor inițială, „rezist”.

Absolut orice corp, chiar si unul foarte usor (de exemplu, un creion intins pe o masa), deformeaza suportul la nivel micro. Prin urmare, apare o reacție de sprijin.

Nu există o formulă specială pentru a găsi această forță. Ei îl desemnează cu litera, dar această forță este doar un tip separat de forță elastică, deci poate fi de asemenea notat ca

Forța se aplică în punctul de contact al obiectului cu suportul. Dirijate perpendicular pe suport.

Deoarece corpul este reprezentat ca un punct material, forța poate fi descrisă din centru

Forță elastică

Această forță apare ca urmare a deformării (modificări ale stării inițiale a materiei). De exemplu, atunci când întindem un arc, creștem distanța dintre moleculele materialului arcului. Când comprimăm arcul, îl micșorăm. Când răsucim sau ne deplasăm. În toate aceste exemple, apare o forță care împiedică deformarea - forța elastică.

legea lui Hooke

Forța elastică este îndreptată opus deformației.

Deoarece corpul este reprezentat ca un punct material, forța poate fi descrisă din centru

Când sunt conectate în serie, de exemplu, arcuri, rigiditatea este calculată prin formula

Când sunt conectate în paralel, rigiditatea

Rigiditatea probei. Modulul Young.

Modulul lui Young caracterizează proprietățile elastice ale unei substanțe. Acest constant, în funcție doar de material, de starea sa fizică. Caracterizează capacitatea unui material de a rezista la deformare la tracțiune sau compresiune. Valoarea modulului lui Young este tabelară.

Aflați mai multe despre proprietățile solidelor.

Greutate corporala

Greutatea corporală este forța cu care un obiect acționează asupra unui suport. Spui că e gravitație! Confuzia apare în următoarele: într-adevăr, adesea greutatea corpului este egală cu forța gravitației, dar aceste forțe sunt complet diferite. Gravitația este forța care rezultă din interacțiunea cu Pământul. Greutatea este rezultatul interacțiunii cu suportul. Forța de greutate se aplică la centrul de greutate al obiectului, în timp ce greutatea este forța care se aplică suportului (nu obiectului)!

Nu există o formulă pentru determinarea greutății. Această forță este indicată cu litera .

Forța de reacție a suportului sau forța elastică apare ca răspuns la impactul unui obiect asupra unei suspensii sau suport, prin urmare greutatea corpului este întotdeauna aceeași numeric cu forța elastică, dar are direcția opusă.

Forța de reacție a suportului și greutatea sunt forțe de aceeași natură, conform legii a 3-a a lui Newton sunt egale și direcționate opus. Greutatea este o forță care acționează asupra unui suport, nu asupra unui corp. Forța gravitației acționează asupra corpului.

Greutatea corporală poate să nu fie egală cu gravitația. Poate fi mai mult sau mai puțin, sau poate fi astfel încât greutatea să fie zero. Această stare se numește imponderabilitate. Imponderabilitate este o stare în care un obiect nu interacționează cu un suport, de exemplu, starea de zbor: există gravitație, dar greutatea este zero!

Este posibil să determinați direcția de accelerație dacă determinați unde este direcționată forța rezultantă

Rețineți că greutatea este o forță, măsurată în Newtoni. Cum să răspunzi corect la întrebarea: „Cât cântărești”? Raspundem 50 kg, numind nu greutatea, ci masa noastra! În acest exemplu, greutatea noastră este egală cu gravitația, care este de aproximativ 500 N!

Supraîncărcare- raportul dintre greutate și gravitație

Puterea lui Arhimede

Forța apare ca urmare a interacțiunii unui corp cu un lichid (gaz), atunci când acesta este scufundat într-un lichid (sau gaz). Această forță împinge corpul afară din apă (gaz). Prin urmare, este îndreptat vertical în sus (împinge). Determinat prin formula:

În aer, neglijăm forța lui Arhimede.

Dacă forța lui Arhimede este egală cu forța gravitației, corpul plutește. Dacă forța lui Arhimede este mai mare, atunci se ridică la suprafața lichidului, dacă este mai mică, se scufundă.

forte electrice

Există forțe de origine electrică. Apare în prezența unei sarcini electrice. Aceste forțe, cum ar fi forța Coulomb, forța Ampère, forța Lorentz, sunt discutate în detaliu în secțiunea Electricitate.

Desemnarea schematică a forțelor care acționează asupra corpului

Adesea corpul este modelat de un punct material. Prin urmare, în diagrame diverse puncte aplicațiile sunt transferate într-un punct - în centru, iar corpul este reprezentat schematic într-un cerc sau dreptunghi.

Pentru desemnarea corectă a forțelor este necesară enumerarea tuturor corpurilor cu care interacționează corpul studiat. Determinați ce se întâmplă ca rezultat al interacțiunii cu fiecare: frecare, deformare, atracție sau poate respingere. Determinați tipul de forță, indicați corect direcția. Atenţie! Numărul de forțe va coincide cu numărul de corpuri cu care are loc interacțiunea.

Principalul lucru de reținut

1) Forțele și natura lor;
2) Direcția forțelor;
3) Să fie capabil să identifice forțele care acționează

Distingeți frecarea externă (uscata) și cea internă (vâscoasă). Frecarea externă are loc între suprafețele solide în contact, frecarea internă are loc între straturi de lichid sau gaz în timpul mișcării lor relative. Există trei tipuri de frecare externă: frecare statică, frecare de alunecare și frecare de rulare.

Frecarea de rulare este determinată de formulă

Forța de rezistență apare atunci când un corp se mișcă într-un lichid sau gaz. Mărimea forței de rezistență depinde de mărimea și forma corpului, de viteza de mișcare a acestuia și de proprietățile lichidului sau gazului. La viteze mici, forța de rezistență este proporțională cu viteza corpului

La viteze mari este proporțională cu pătratul vitezei

Luați în considerare atracția reciprocă a unui obiect și a Pământului. Între ele, conform legii gravitației, apare o forță

Acum să comparăm legea gravitației și forța gravitației

Valoarea accelerației în cădere liberă depinde de masa Pământului și de raza acestuia! Astfel, se poate calcula cu ce accelerație vor cădea obiectele de pe Lună sau de pe orice altă planetă, folosind masa și raza acelei planete.

Distanța de la centrul Pământului la poli este mai mică decât până la ecuator. Prin urmare, accelerația căderii libere la ecuator este puțin mai mică decât la poli. În același timp, trebuie remarcat faptul că principalul motiv pentru dependența accelerației căderii libere de latitudinea zonei este faptul că Pământul se rotește în jurul axei sale.

Când se îndepărtează de suprafața Pământului, forța gravitației și accelerația căderii libere se modifică invers cu pătratul distanței până la centrul Pământului.

Subiecte ale codificatorului USE: forțe în mecanică, forță elastică, legea lui Hooke.

După cum știm, în partea dreaptă a celei de-a doua legi a lui Newton se află rezultanta (adică suma vectorială) a tuturor forțelor aplicate corpului. Acum trebuie să studiem forțele de interacțiune ale corpurilor în mecanică. Există trei tipuri: forță elastică, forță gravitațională și forță de frecare. Să începem cu elasticitatea.

Deformare.

Forțele elastice apar în timpul deformărilor corpurilor. Deformare este o schimbare a formei și dimensiunii corpului. Deformările includ tensiune, compresie, torsiune, forfecare și încovoiere.
Deformările sunt elastice și plastice. Deformare elastică dispare complet după încetarea acțiunii forțelor externe care o provoacă, astfel încât organismul își restabilește complet forma și dimensiunea. Deformare plastica se păstrează (poate parțial) după îndepărtarea sarcinii externe, iar corpul nu mai revine la dimensiunea și forma anterioară.

Particulele corpului (molecule sau atomi) interacționează între ele prin forțe atractive și respingătoare de origine electromagnetică (acestea sunt forțele care acționează între nucleele și electronii atomilor vecini). Forțele de interacțiune depind de distanța dintre particule. Dacă nu există deformare, atunci forțele de atracție sunt compensate de forțele de repulsie. În timpul deformării, distanțele dintre particule se modifică și echilibrul forțelor de interacțiune este perturbat.

De exemplu, atunci când o tijă este întinsă, distanțele dintre particulele sale cresc și forțele atractive încep să prevaleze. Dimpotrivă, atunci când tija este comprimată, distanțele dintre particule scad, iar forțele de respingere încep să predomine. În orice caz, apare o forță care este îndreptată în direcția opusă deformării și tinde să restabilească configurația inițială a corpului.

Forță elastică - aceasta este forța care apare în timpul deformării elastice a corpului și este îndreptată în direcția opusă deplasării particulelor corpului în procesul de deformare. Forța elastică:

1. actioneaza intre straturile adiacente ale unui corp deformat si se aplica pe fiecare strat;
2. acționează din partea corpului deformat asupra corpului aflat în contact cu acesta, provocând deformare, și se aplică în punctul de contact al acestor corpuri perpendicular pe suprafețele lor (un exemplu tipic este forța de reacție a suportului).

Forțele care decurg din deformațiile plastice nu aparțin forțelor elastice. Aceste forțe nu depind de mărimea deformării, ci de rata de apariție a acesteia. Studiul unor astfel de forțe
depășește cu mult curriculumul.

ÎN fizica scolara se iau în considerare tensiunile firelor și cablurilor, precum și tensiunile și compresiunile arcurilor și tijelor. În toate aceste cazuri, forțele elastice sunt direcționate de-a lungul axelor acestor corpuri.

legea lui Hooke.

Deformarea se numește mic dacă modificarea dimensiunii corpului este mult mai mică decât dimensiunea inițială. La deformații mici, dependența forței elastice de mărimea deformației se dovedește a fi liniară.

legea lui Hooke . Valoare absolută forța elastică este direct proporțională cu mărimea deformației. În special, pentru un arc comprimat sau întins cu o cantitate de , forța elastică este dată de formula:

(1)

unde este constanta resortului.

Coeficientul de rigiditate depinde nu numai de materialul arcului, ci și de forma și dimensiunile acestuia.

Din formula (1) rezultă că graficul dependenței forței elastice de deformarea (mică) este o linie dreaptă (Fig. 1):

Orez. 1. Legea lui Hooke

Coeficientul de rigiditate - aproximativ pantăîn ecuația dreptei. Prin urmare, egalitatea este adevărată:

unde este unghiul de înclinare al acestei drepte față de axa absciselor. Această egalitate este convenabilă de utilizat atunci când se găsește experimental cantitatea.

Subliniem încă o dată că legea lui Hooke privind dependența liniară a forței elastice de mărimea deformației este valabilă numai pentru deformații mici ale corpului. Când deformațiile încetează să fie mici, această dependență încetează să mai fie liniară și devine mai mare vedere complexă. În consecință, linia dreaptă din fig. 1 este doar o mică secțiune inițială a unui grafic curbat care descrie dependența de pentru toate valorile deformarii.

Modulul Young.

În cazul particular al deformărilor mici tije există o formulă mai detaliată forma generala( 1 ) Legea lui Hooke.

Și anume, dacă lungimea tijei și zona secțiunii transversale se întind sau se comprimă
cu valoarea , atunci formula este valabilă pentru forța elastică:

Aici - Modulul Young materialul tijei. Acest coeficient nu mai depinde de dimensiunile geometrice ale tijei. modulele Young diverse substanțe sunt date în tabelele de referință.