Параграф 27 Физика 7 класс Пёрышкин | Конспект

Сила упругости. Закон Гука

Сила упругости возникает в теле в результате его упругой деформации и стремится вернуть тело в исходное состояние. Это сила, которая действует внутри упругих материалов, когда их форма или размеры изменяются под воздействием внешних сил. Деформация происходит, когда на тело воздействует внешняя сила, вызывая его сжатие, растяжение, изгиб или кручение. Примером является сжатие пружины: когда она сжимается, возникает сила упругости, стремящаяся вернуть пружину в её первоначальное состояние. Если деформация прекращается, тело возвращается в исходную форму. Сила упругости зависит от вида и степени деформации, а также от свойств самого материала.

Виды деформаций

Деформация может быть различных типов: растяжение и сжатие, изгиб, кручение и сдвиг. Каждый из этих видов деформаций сопровождается изменением формы и размеров тела. Например, при растяжении молекулы материала удаляются друг от друга, а при сжатии — приближаются. Деформация кручения возникает при скручивании тела вокруг его оси. Изгиб сопровождается прогибом тела, как у изогнутой доски. Сила упругости, возникающая при деформации, пропорциональна приложенному усилию и зависит от жесткости материала. Чем больше деформация, тем сильнее стремление тела вернуться в исходное состояние. На молекулярном уровне деформация связана с изменением расстояний между молекулами, которые удерживаются силами притяжения и отталкивания.

Молекулярная природа упругости

Сила упругости связана с изменением положения молекул внутри вещества. В обычном состоянии молекулы находятся на определенном расстоянии друг от друга и удерживаются в равновесии силами притяжения и отталкивания. При деформации это равновесие нарушается, что приводит к появлению сил упругости. Если тело сжато, силы притяжения между молекулами увеличиваются, а при растяжении, наоборот, преобладают силы отталкивания. Изменение длины или формы тела возвращает молекулы в исходное положение, если деформация не слишком велика. В противном случае тело может потерять свои упругие свойства и деформироваться навсегда. Сила упругости всегда направлена так, чтобы восстановить исходное расстояние между молекулами и вернуть тело в его первоначальное состояние.

Закон Гука

Закон Гука устанавливает, что сила упругости прямо пропорциональна деформации тела. Формула закона записывается как Fупр=k⋅Δl, где Fупр — сила упругости, k — коэффициент жесткости, а Δl — изменение длины тела. Это означает, что чем больше деформация, тем больше сила, стремящаяся вернуть тело в первоначальное состояние. Коэффициент жесткости зависит от свойств материала и формы тела: жесткие материалы, такие как сталь, имеют высокое значение k, а мягкие, такие как резина, — низкое. Закон Гука применяется только для упругих деформаций, при которых тело сохраняет способность восстанавливать свою форму. Если деформация превышает предел упругости, закон Гука не действует.

Единицы измерения силы упругости и жесткости

Сила упругости измеряется в ньютонах (Н), как и все другие силы в физике. Коэффициент жесткости измеряется в ньютонах на метр (Н/м) и показывает, насколько сильно тело сопротивляется деформации. Чем больше значение k, тем труднее растянуть или сжать материал. Жесткость тела зависит от его структуры, размеров и материала. Различные материалы обладают разной жесткостью: стекло и металл деформируются меньше, чем резина или гель. В инженерных расчетах жесткость учитывается при проектировании конструкций, чтобы избежать их разрушения под действием внешних сил. Правильный расчет жесткости помогает создавать устойчивые и безопасные конструкции.