Как вы уже знаете из курса физики основной школы, силы упругости связаны с деформацией тел, то есть изменением их формы и (или) размеров.
Связанная с силами упругости деформация тел не всегда заметна (подробнее мы остановимся на этом ниже). По этой причине свойства сил упругости изучают обычно, используя для наглядности пружины: их деформация хорошо видна на глаз.
Поставим опыт
Подвесим к пружине груз (рис. 15.1, а). (Будем считать, что массой пружины можно пренебречь.) Пружина растянется, то есть деформируется.
На подвешенный груз действуют сила тяжести т и приложенная со стороны растянутой пружины сила упругости упр (рис. 15.1, б). Она вызвана деформацией пружины.
Согласно третьему закону Ньютона на пружину со стороны груза действует такая же по модулю, но противоположно направленная сила (рис. 15.1, в). Эта сила – вес груза: ведь это сила, с которой тело растягивает вертикальный поднес (пружину).
Силы упр и , с которыми груз и пружина взаимодействуют друг с другом, связаны третьим законом Ньютона и поэтому имеют одинаковую физическую природу. Следовательно, вес – это тоже сила упругости. (Действующая на пружину со стороны груза сила упругости (вес груза) обусловлена деформацией груза. Эта деформация незаметна, если грузом является гиря или брусок. Чтобы деформация груза стала тоже заметной, можно в качестве груза взять массивную пружину: мы увидим, что она растянется.) Действуя на пружину, вес груза растягивает ее, то есть является причиной ее деформации. (Во избежание недоразумений подчеркнем еще раз, что пружину, к которой подвешен груз, растягивает не приложенная к грузу сила тяжести груза, а приложенная к пружине со стороны груза сила упругости (вес груза).)
На этом примере мы видим, что силы упругости являются и следствием, и причиной упругой деформации тел:
– если тело деформировано, то со стороны этого тела действуют силы упругости (например, сила упр на рисунке 15.1, б);
– если к телу приложены силы упругости (например, сила на рисунке 15.1, в), то это тело деформируется.
1. Какие из изображенных на рисунке 15.1 сил
а) уравновешивают друг друга, если груз покоится?
б) имеют одинаковую физическую природу?
в) связаны третьим законом Ньютона?
г) перестанут быть равными по модулю, если груз будет двигаться с ускорением, направленным вверх или вниз?
Всегда ли деформация тела заметна? Как мы уже говорили, «коварная» особенность сил упругости состоит в том, что связанная с ними деформация тел далеко не всегда заметна.
Поставим опыт
Деформация стола, обусловленная весом лежащего на нем яблока, незаметна на глаз (рис. 15.2).
И тем не менее она есть: только благодаря силе упругости, возникшей вследствие деформации стола, он удерживает яблоко! Деформацию стола можно обнаружить с помощью остроумного опыта. На рисунке 15.2 белые линии схематически обозначают ход луча света, когда яблока на столе нет, а желтые линии – ход луча света, когда яблоко лежит на столе.
2. Рассмотрите рисунок 15.2 и объясните, благодаря чему деформацию стола удалось сделать заметной.
Некоторая опасность состоит в том, что, не заметив деформации, можно не заметить и связанной с ней силы упругости!
Так, в условиях некоторых задач фигурирует «нерастяжимая нить». Под этими словами подразумевают, что можно пренебречь только величиной деформации нити (увеличением ее длины), но нельзя пренебрегать силами упругости, приложенными к нити или действующими со стороны нити. На самом деле «абсолютно нерастяжимых нитей» нет: точные измерения показывают, что любая нить хоть немного, но растягивается.
Например, если в описанном выше опыте с грузом, подвешенным к пружине (см. рис. 15.1), заменить пружину «нерастяжимой нитью», то под весом груза нить растянется, хотя ее деформация и будет незаметной. А следовательно, будут присутствовать и все рассмотренные силы упругости. Роль силы упругости пружины будет играть сила натяжения нити, направленная вдоль нити.
3. Сделайте чертежи, соответствующие рисунку 15.1 (а, б, в), заменив пружину нерастяжимой нитью. Обозначьте на чертежах силы, действующие на нить и на груз.
4. Два человека тянут в противоположные стороны веревку с силой 100 Н каждый.
а) Чему равна сила натяжения веревки?
б) Изменится ли сила натяжения веревки, если один ее конец привязать к дереву, а за другой конец тянуть с силой 100 Н?
Природа сил упругости
Силы упругости обусловлены силами взаимодействия частиц, из которых состоит тело (молекул или атомов). Когда тело деформируют (изменяют его размеры или форму), расстояния между частицами изменяются. Вследствие этого между частицами возникают силы, стремящиеся вернуть тело в недеформированное состояние. Это и есть силы упругости.
2. Закон Гука
Поставим опыт
Будем подвешивать к пружине одинаковые гирьки. Мы заметим, что удлинение пружины пропорционально числу гирек (рис. 15.3).
Это означает, что деформация пружины прямо пропорциональна силе упругости
.
Обозначим деформацию (удлинение) пружины
x = l – l 0 , (1)
где l – длина деформированной пружины, а l 0 – длина недеформированной пружины (рис. 15.4). Когда пружина растянута, x > 0, а проекция действующей со стороны пружины силы упругости F x < 0. Следовательно,
F x = –kx. (2)
Знак «минус» в этой формуле напоминает, что приложенная со стороны деформированного тела сила упругости направлена противоположно деформации этого тела: растянутая пружина стремится сжаться, а сжатая – растянуться.
Коэффициент k называют жесткостью пружины . Жесткость зависит от материала пружины, ее размеров и формы. Единица жесткости 1 Н/м.
Соотношение (2) называют законом Гука в честь английского физика Роберта Гука, открывшего эту закономерность. Закон Гука справедлив при не слишком большой деформации (величина допустимой деформации зависит от материала, из которого изготовлено тело).
Формула (2) показывает, что модуль силы упругости F связан с модулем деформации x соотношением
Из этой формулы следует, что график зависимости F(x) – отрезок прямой, проходящий через начало координат.
5. На рисунке 15.5 приведены графики зависимости модуля силы упругости от модуля деформации для трех пружин.
а) У какой пружины наибольшая жесткость?
б) Чему равна жесткость самой мягкой пружины?
6. Груз какой массы надо подвесить к пружине жесткостью 500 Н/м, чтобы удлинение пружины стало равным 3 см?
Важно отличать удлинение пружины x от ее длины l. Различие между ними показывает формула (1).
7. Когда к пружине подвешен груз массой 2 кг, ее длина равна 14 см, а когда подвешен груз массой 4 кг, длина пружины равна 16 см.
а) Чему равна жесткость пружины?
б) Чему равна длина недеформированной пружины?
3. Соединение пружин
Последовательное соединение
Возьмем одну пружину жесткостью k (рис, 15.6, а). Если растягивать ее силой (рис. 15.6, б), ее удлинение выражается формулой
Возьмем теперь вторую такую же пружину и соединим пружины, как показано на рисунке 15.6, в. В таком случае говорят, что пружины соединены последовательно.
Найдем жесткость k посл системы из двух последовательно соединенных пружин.
Если растягивать систему пружин силой , то сила упругости каждой пружины будет равна по модулю F. Общее же удлинение системы пружин будет равно 2x, потому что каждая пружина удлинится на x (рис. 15.6, г).
Следовательно,
k посл = F/(2x) = ½ F/x = k/2,
где k – жесткость одной пружины.
Итак, жесткость системы из двух одинаковых последовательно соединенных пружин в 2 раза меньше, чем жесткость каждой из них.
Если последовательно соединить пружины с разной жесткостью, то силы упругости пружин будут одинаковы. А общее удлинение системы пружин равно сумме удлинений пружин, каждое из которых можно рассчитать с помощью закона Гука.
8. Докажите, что при последовательном соединении двух пружин
1/k посл = 1/k 1 + 1/k 2 , (4)
где k 1 и k 2 – жесткости пружин.
9. Чему равна жесткость системы двух последовательно соединенных пружин жесткостью 200 Н/м и 50 Н/м?
В этом примере жесткость системы двух последовательно соединенных пружин оказалась меньше, чем жесткость каждой пружины. Всегда ли это так?
10. Докажите, что жесткость системы двух последовательно соединенных пружин меньше жесткости любой из пружин, образующих систему.
Параллельное соединение
На рисунке 15.7 слева изображены параллельно соединенные одинаковые пружины.
Обозначим жесткость одной пружины k, а жесткость системы пружин k пар.
11. Докажите, что k пар = 2k.
Подсказка. См. рисунок 15.7.
Итак, жесткость системы из двух одинаковых параллельно соединенных пружин в 2 раза больше жесткости каждой из них.
12. Докажите, что при параллельном соединении двух пружин жесткостью k 1 и k 2
k пар = k 1 + k 2 . (5)
Подсказка. При параллельном соединении пружин их удлинение одинаково, а сила упругости, действующая со стороны системы пружин, равна сумме их сил упругости.
13. Две пружины жесткостью 200 Н/м и 50 Н/м соединены параллельно. Чему равна жесткость системы двух пружин?
14. Докажите, что жесткость системы двух параллельно соединенных пружин больше жесткости любой из пружин, образующих систему.
Дополнительные вопросы и задания
15. Постройте график зависимости модуля силы упругости от удлинения для пружины жесткостью 200 Н/м.
16. Тележку массой 500 г тянут по столу с помощью пружины жесткостью 300 Н/м, прикладывая силу горизонтально. Трением между колесами тележки и столом можно пренебречь. Чему равно удлинение пружины, если тележка движется с ускорением 3 м/с 2 ?
17. К пружине жесткостью k подвешен груз массой m. Чему равно удлинение пружины, когда груз покоится?
18. Пружину жесткостью k разрезали пополам. Какова жесткость каждой из образовавшихся пружин?
19. Пружину жесткостью k разрезали на три равные части и соединили их параллельно. Какова жесткость образовавшейся системы пружин?
20. Докажите, что жесткость и последовательно соединенных одинаковых пружин в n раз меньше жесткости одной пружины.
21. Докажите, что жесткость n параллельно соединенных одинаковых пружин в n раз больше жесткости одной пружины.
22. Если две пружины соединить параллельно, то жесткость системы пружин равна 500 Н/м, а если эти же пружины соединить последовательно, то жесткость системы пружин равна 120 Н/м. Чему равна жесткость каждой пружины?
23. Находящийся на гладком столе брусок прикреплен к вертикальным упорам пружинами жесткостью 100 Н/м и 400 Н/м (рис. 15.8). В начальном состоянии пружины не деформированы. Чему будет равна действующая на брусок сила упругости, если его сдвинуть на 2 см вправо? на 3 см влево?
Транскрипт
1 Силы упругости Силы в природе
2 Цели и задачи урока: Образовательные: актуализировать имеющиеся у учащихся знания о строении вещества, на основе которых, познакомить с принципом плотной упаковки атомов твёрдого тела; сформировать у учащихся устойчивые представления о природе возникновения силы упругости, силах межатомного взаимодействия; ввести понятия деформации, видов деформации, удлинения, жёсткости; познакомить с формулировкой и алгебраической записью закона Гука, а так же с видами движения тела под действием силы упругости; выработать умение записывать, анализировать закон Гука и другие закономерности, производить алгебраические преобразования величин и единиц измерения; по - возможности, самостоятельно определять порядок действий, составлять план практической деятельности, выполнять его; сформировать навыки измерения физических величин (k) косвенным методом на основе прямых измерений нескольких величин (Fупр и X).
3 Цели и задачи урока: Воспитательные: показать взаимосвязь процессов макро- и микромира; продолжить формирование единой естественно научной картины мира на основе объяснения законами физики процессов и явлений окружающей нас действительности, целостной системы знаний по теме «силы в природе», Развивающие: развивать логическое мышление, умение планировать свою работу обобщать и делать выводы, используя новую информацию и имеющийся жизненный опыт, а так же умение рефлексировать; развивать навыки практической работы; развивать способности к диалогу и сотрудничеству в мини группах.
4 В твердых телах аморфных и кристаллических частицы (молекулы, атомы, ионы) совершают тепловые колебания около положений равновесия, в которых энергия их взаимодействия минимальна. При увеличении расстояния между частицами возникают силы притяжения, а при уменьшении силы отталкивания. Силы взаимодействия между частицами обусловливают механические свойства твердых тел.
5 Знакомы ли вы с понятием силы? Как давно? Ещё много раз вы будете его слышать, употреблять и не только на уроке, но и в жизни. Дальнейшее изучение физики без понятия «сила» невозможно! Сегодня мы выясним, как много различных сил в окружающем нас мире, и подробно остановимся на законах и природе силы упругости. Когда она возникает? Какое значение она имеет для человека? Как можно её измерить и вычислить? Часто ли мы встречаемся в жизни с проявлениями силы упругости? Вы поймёте, что наблюдали неоднократно действие этой силы, пользовались приборами, устройство которых основано на действии силы упругости.
6 Сила упругости имеет электромагнитную природу, являясь макроскопическим проявлением межмолекулярного взаимодействия.
7 Силы упругости являются следствием деформации, возникающей при контакте тел. На карандаш, лежащий на столе, действует сила тяжести, однако, он остаётся неподвижным, и значит, на него действует сила упругости чуть-чуть деформированного им стола, направленная вертикально вверх и равная по величине силе тяжести карандаша. Если на то же место стола поставить монитор компьютера, то деформацию поверхности стола можно будет заметить и на глаз. Си ла упруѓости сила, возникающая при деформации тела и противодействующая этой деформации.
9 На линейку ставим тело. Почему прогибается линейка? А почему через некоторое время прогиб останавливается? Где возникает сила упругости в случае? Какой можно сделать вывод? Сила упругости возникает при деформациях! Когда мы говорим, что тело деформировано? Деформация это изменение формы и размеров тел. Если убрать тело, которое находится на линейке линейка принимает первоначальное положение. Если убрать из пружины пружина тоже возвращается в первоначальное состояние. Например: если взять кусок пластилина и подействовать силой (нажимом), то пластилин изменяет свою форму, если прекратили действие пластилин будет сохранять измененную форму. Применяют при обработке металлов ковке, штамповке, при кепке из пластилина, глины. Очень многие ученые занимались изучением деформации, но только английскому ученому Гуку удалось установить закон для упругих деформаций.
10 ГУК (Hooke), Роберт 18 июля 1635 г. 3 марта 1703 г. Английский естествоиспытатель Роберт Гук родился во Фрешуотере, графство Айл-оф- Уайт (остров Уайт) в семье священника местной церкви. В 1653 г. поступил в Крайст-Чёрч-колледж Оксфордского университета, где впоследствии стал ассистентом Р. Бойля. В 1662 г. был назначен куратором экспериментов при только что основанном Королевском обществе; член Лондонского королевского общества с 1663 г. С 1665 г. профессор Лондонского университета, в гг. секретарь Лондонского Королевского общества.
11 Разносторонний учёный и изобретатель, Гук затронул в своих работах многие разделы естествознания. В 1659 г. построил воздушный насос, совместно с Х. Гюйгенсом установил (около 1660 г.) постоянные точки термометра таяния льда и кипения воды. Усовершенствовал барометр, зеркальный телескоп, применил зрительную трубу для измерения углов, сконструировал прибор для измерения силы ветра, машину для деления круга и другие приборы.
12 К концу жизни Р. Гук сделал около 500 научных и технических открытий, включая закон упругости, конический маятник, спиртовой уровень, морской барометр и футшток. Они составляют основу современной науки, но по разным причинам приписываются другим людям. В силу особенностей характера и из-за чрезвычайно широкого круга интересов Гук часто не доводил свои открытия до конца и утрачивал приоритет, по поводу которого ему приходилось часто спорить с Ньютоном.
13 Виды деформаций: - растяжение (тросы, цепи); - сжатие (колонны, стены); - сдвиг (болты, заклёпки); - кручение (гайки, валы, оси); - изгиб (мосты, балки). Cилы, создавая давление, либо растяжение, могут изменять форму тела, например, длину пружины. Силы служат причиной либо ускорения тела (динамическое действие), либо изменение его формы (статическое действие).
14 ДЕФОРМАЦИЯ Деформация - изменение объема или формы тела. Виды деформаций: сжатие, растяжение, изгиб, кручение и др.
15 Некоторые виды деформаций твердых тел: 1 деформация растяжения;2 деформация сдвига; 3 деформация всестороннего сжатия
16 Деформация растяжения Деформация растяжения вид деформации, при которой нагрузка прикладывается продольно от тела, то есть соосно или параллельно точкам крепления тела. Проще всего растяжение рассмотреть на буксировочном тросе для автомобилей. Трос имеет две точки крепления к буксиру и буксируемому объекту, по мере начала движения трос выпрямляется и начинает тянуть буксируемый объект. В натянутом состоянии трос подвергается деформации растяжения, если нагрузка меньше предельных значений, которые может он выдержать, то после снятия нагрузки трос восстановит свою форму.
17 Деформация сжатия Деформация сжатия вид деформации, аналогичный растяжению, с одним отличием в способе приложения нагрузки, ее прикладывают соосно, но по направлению к телу. Сдавливание объекта с двух сторон приводит к уменьшению его длины и одновременному упрочнению, приложение больших нагрузок образовывает в теле материала утолщения типа «бочка».
18 Деформация сдвига Деформация сдвига вид деформации, при котором нагрузка прикладывается параллельно основанию тела. В ходе деформации сдвига одна плоскость тела смещается в пространстве относительно другой. На предельные нагрузки сдвига испытываются все крепежные элементы болты, шурупы, гвозди. Простейший пример деформации сдвига расшатанный стул, где за основание можно принять пол, а за плоскость приложения нагрузки сидение.
19 Деформация изгиба Деформация изгиба вид деформации, при котором нарушается прямолинейность главной оси тела. Деформации изгиба испытывают все тела подвешенные на одной или нескольких опорах. Каждый материал способен воспринимать определенный уровень нагрузки, твердые тела в большинстве случаев способны выдерживать не только свой вес, но и заданную нагрузку. В зависимости от способа приложения нагрузки при изгибе различают чистый и косой изгиб.
20 Деформация кручения Деформация кручения вид деформации, при котором к телу приложен крутящий момент, вызванный парой сил, действующих в перпендикулярной плоскости оси тела. На кручение работают валы машин, шнеки буровых установок и пружины.
21 В качестве примера рассмотрим деформацию (растяжение или сжатие) упругой пружины. Под действием приложенной к пружине силы, равной весу подвешенного груза, пружина деформируется (т.е. ее длина увеличится на величину "х"). Возникает сила, противодействующая деформации -сила упругости. Сила упругости приложена к телу, вызывающему деформацию (к грузу). Сила упругости растянутой пружины уравновешивает силу тяжести, действующую на груз. Сила упругости возникает только при деформации тела. При исчезновении деформации тела исчезает и сила упругости.
23 Вид деформации Растяжения Сжатия Кручения Изгиба Сдвига Упругая Пластичная Признаки увеличивается расстояние между молекулярными слоями. уменьшается расстояние между молекулярными слоями. поворот одних молекулярных слоев относительно других. одни молекулярные слои растягиваются, а другие сжимаются или растягиваются, но меньше первых. одни слои молекул сдвигаются относительно других. после прекращения воздействия тело полностью вос-станавливает первоначальную форму и размеры. после прекращения воздействия тело не восстанавливает первоначальную форму или размеры.
24 ЗАКОН ГУКА Сила упругости прямо пропорциональна величине деформации. Закон Гука справедлив при малых (упругих) деформациях тел. Модуль силы Гука: F упр = k x где k -коэффициент упругости или жесткость пружины (ед.изм. в СИ - 1 Н/м) х - удлинение пружины или величина деформации пружины (ед.изм. в СИ - 1м) Fупр - сила упругости (ед.изм. в СИ - 1Н)
27 Пластическая и упругая деформация В процессе деформации важное значение имеет величина межатомных связей, приложение нагрузки достаточной для их разрыва приводит к необратимым последствиям (необратимая или пластическая деформация). Если нагрузка не превысила допустимых значений, то тело может вернуться в исходное состояние (упругая деформация). Простейший пример поведения предметов, подверженных пластической и упругой деформацией, можно проследить на падении с высоты резинового мяча и куска пластилина. Резиновый мяч обладает упругостью, поэтому при падении он сожмется, а после превращения энергии движения в тепловую и потенциальную, снова примет первоначальную форму. Пластилин обладает большой пластичностью, поэтому при ударе о поверхность оно необратимо утратит свою первоначальную форму.
29 Разновидностями сил упругости являются: - сила натяжения; направлена вдоль нити. - сила реакции опоры (со стороны опоры на тело); - сила нормального давления (со стороны тела на опору); направлены перпендикулярно поверхности
31 Вопросы «Мозаики». 1.Что такое деформация? 2.Какую деформацию называют упругой? 3.Какую деформацию называют пластической? 4.Перечислите виды деформаций. 5.Что происходит с телом при сжатии? 6.Что происходит с телом при растяжении? 7.Что происходит с телом при деформации изгиба? 8.Какую деформацию испытывают зубья пилы?
32 Вопросы «Мозаики». 9.Какую деформацию испытывает винт мясорубки? 10.Какую деформацию испытывают фундамент и стены домов? 11.Что происходит, если механическое напряжение в материале превышает предел прочности? 12.Для каких деформаций выполняется закон Гука? 13.Почему при упругих деформациях тело возвращается в исходное состояние? 14.Какие силы возникают в деформированном теле?
Лекция 16 Силы упругости. Упругие свойства твердых тел. Закон Гука для разных деформаций. Модули упругости, коэффициент Пуассона. Диаграмма напряжений. Упругий гистерезис. Потенциальная энергия упругой
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА М-8 ОПРЕДЕЛЕНИЕ МОДУЛЯ СДВИГА И МОМЕНТА ИНЕРЦИИ МЕТОДОМ КОЛЕБАНИЙ Цель работы: определение модуля сдвига и момента инерции диска методом крутильных колебаний. Приборы и принадлежности:
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 1.17 ЗАКОН ГУКА ЦЕЛЬ РАБОТЫ Экспериментально проверить справедливость закона Гука для упругих материалов различных видов. ЗАДАЧИ 1. Измерить удлинения l пружины 1 и пружины 2 в зависимости
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ КАЗАНСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АРХИТЕКТУРНО-СТРОИТЕЛЬНАЯ АКАДЕМИЯ Кафедра физики МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ЛАБОРАТОРНЫМ РАБОТАМ ПО ФИЗИКЕ для студентов специальностей
Экзаменационный билет 1 1. Реальный объект и расчетная схема. Силы внешние и внутренние. Метод сечений. Основные виды нагружения бруса. 2. Понятие об усталостной прочности. Экзаменационный билет 2 1. Растяжение
Лабораторная работа Изучение деформации растяжения. Цель: Приборы и оборудование: прибор для изучения деформации растяжения; индикатор часового типа 0-10 мм; микрометр; линейка измерительная; стальная
Лабораторная работа «ИЗУЧЕНИЕ УПРУГИХ СВОЙСТВ МАТЕРИАЛОВ» Цель работы: Определение модуля упругости материалов. Принадлежности: Установка для изучения упругих свойств материалов, образцы, линейка, микрометр,
Тема 4. Силы в природе 1. Многообразие сил в природе Не смотря на кажущееся разнообразие взаимодействий и сил в окружающем мире, существует всего ЧЕТЫРЕ типа сил: 1 тип - ГРАВИТАЦИОННЫЕ силы (иначе - силы
Методические указания к выполнению лабораторной работы 1.6 ОПРЕДЕЛЕНИЕ МОДУЛЯ ЮНГА * * Аникин А.И. Механика: методические указания к выполнению лабораторных работ по физике. Архангельск: Изд-во АГТУ, 2008.
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ» УТВЕРЖДАЮ Проректор-директор
Федеральное агентство по образованию Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «УФИМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НЕФТЯНОЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ» Кафедра физики УПРУГИЕ
Лекция 8. Теория упругости 8.. Закон Гука и принцип суперпозиции 8.. Однородная деформация. Всестороннее сжатие 8.3.Однородная деформация. Сдвиг 8.4. Деформация зажатого бруска 8.5. Продольный звук 8.6.
КРУТИЛЬНЫЕ КОЛЕБАНИЯ МОДУЛЬ КРУЧЕНИЯ И МОДУЛЬ СДВИГА Цель работы: изучить деформацию кручения и проверить выполнимость закона Гука при этой деформации Задачи: - определить модуль кручения стального стержня,
Лабораторная работа 5 ОПРЕДЕЛЕНИЕ МОДУЛЯ ЮНГА Приборы и материалы: проволока, закрепленная на кронштейне; грузы для растяжения проволоки; индикатор, микрометр; рулетка. Краткая теория Всякое твердое тело
Лабораторная работа 14 Деформация твердого тела. Определение модуля Юнга Приборы и принадлежности: исследуемая проволока, набор грузов, два микроскопа Теоретические сведения Изменение формы твердого тела
Лабораторная работа Определение модуля сдвига и момента инерции вращающегося твердого тела при помощи утильного маятника Цель работы: Ознакомиться с деформациями сдвига, учения и методами определения модуля
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ 1 ТЕМА Введение. Инструктаж по технике безопасности. Входной контроль. ВВЕДЕНИЕ В ПРАКТИЧЕСКИЕ ЗАНЯТИЯ ПО КУРСУ «ПРИКЛАДНАЯ МЕХЕНИКА». ИНСТРУКТАЖ ПО ПОЖАРО- И ЭЛЕКТРОБЕЗОПАСНОСТИ.
Взаимодействие тел (тема «Силы») Вариант 1 1. Какое явление происходит с резиновым жгутом, когда, взяв его за концы, разводят руки в стороны? а) Деформация сжатия. в) Деформация растяжения. б) Деформация
Методические указания к выполнению лабораторной работы.5 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЖЕСТКОСТИ ПРУЖИНЫ И СИСТЕМЫ ПРУЖИН * * Аникин А.И. Механика: методические указания к выполнению лабораторных работ по физике. Архангельск:
43 МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА БИОЛОГИЧСКИХ ТКАНЕЙ. ФИЗИЧЕСКИЕ ВОПРОСЫ ГЕМОДИНАМИКИ Задание 1. Выберите правильный ответ: 1. Деформацией называется.... а) изменение взаимного положения тел; б) изменение взаимного
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ УТВЕРЖДАЮ Декан ЕНМФ Ю.И. Тюрин 2007 г. ОПРЕДЕЛЕНИЕ
Н.А.Кормаков 1 9 класс Содержание БЛОК - 2 Блок - 2 Механические колебания и волны. Звук Содержание опорного конспекта Стр. Параграф учебника Лист -2 вопросов ОК 9.2.16 24 23,25 1-4 1.Колебательное движение
Физика. 9 класс. Тренинг «Инерция. Законы Ньютона. Силы в механике» 1 Инерция. Законы Ньютона. Силы в механике Вариант 1 1 Металлический брусок подвешен к пружине и целиком погружён в сосуд с водой, находясь
Кузьмичев Сергей Дмитриевич 2 СОДЕРЖАНИЕ ЛЕКЦИИ 10 Элементы теории упругости и гидродинамики. 1. Деформации. Закон Гука. 2. Модуль Юнга. Коэффициент Пуассона. Модули всестороннего сжатия и одностороннего
Лекция 6 https://www.supermetalloved.narod.ru Нагрузки, напряжения и деформации. Механические свойства. 1. Физическая природа деформации металлов. 2. Природа пластической деформации. 3. Дислокационный механизм
МИНИСТЕРСТВО ВЫСШЕГО И СРЕДНЕГО СПЕЦИАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ УЗБЕКИСТАН ТАШКЕНТСКИЙ ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ Кафедра: «Машины и оборудование пищевой промышленности основы механики» РЕФЕРАТ
Сила тяжести СИЛА, с которой Земля притягивает все находящиеся на ней тела называется силой тяжести. Направление силы тяжести - вертикаль в данной точке земной поверхности. Вес тела и сила тяжести Модуль
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 4 ИЗМЕРЕНИЕ МОМЕНТОВ ИНЕРЦИИ И МОДУЛЯ СДВИГА ТВЕРДЫХ ТЕЛ МЕТОДОМ КРУТИЛЬНЫХ КОЛЕБАНИЙ Цель работы: 1. Изучить динамику и кинематику крутильных колебаний.. Измерить моменты инерции твердых
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ «ОРЕНБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ» Кафедра «Проектирование и управление в технических системах» МЕТОДИЧЕСКИЕ
И. В. Яковлев Материалы по физике MathUs.ru Энергия Темы кодификатора ЕГЭ: работа силы, мощность, кинетическая энергия, потенциальная энергия, закон сохранения механической энергии. Мы приступаем к изучению
Контрольные вопросы по сопротивлению материалов 1. Основные положения 2. Каковы основные гипотезы, допущения и предпосылки положены в основу науки о сопротивлении материалов? 3. Какие основные задачи решает
Методическая разработка открытого урока по предмету: «Физика» Субханкулова Римма Ахметовна, преподаватель физики, высшей квалификационной категории ГАПОУ «БНК» г. Бугуруслана Оренбургской области. Тема:
1.1. Механическое движение. Траектория. Путь. Перемещение. Механическим движением тела называют изменение его положения в пространстве относительно других тел с течением времени. Поступательное движение
МИНОБРНАУКИ РОССИИ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Ухтинский государственный технический университет» (УГТУ) 7 Определение модуля
1 Пояснительная записка Рабочая программа по физике для 7 класса составлена на основе «Примерной программы основного общего образования по физике. 7-9 классы» под редакцией В. А. Орлова, О. Ф. Кабардина,
Лабораторная работа 8 ОПРЕДЕЛЕНИЕ МОМЕНТА ИНЕРЦИИ ТВЕРДОГО ТЕЛА МЕТОДОМ КРУТИЛЬНЫХ КОЛЕБАНИЙ Цель работы изучение колебательного движения на примере крутильного маятника, определение момента инерции твердого
Рабочая программа по физике для 7 класса Пояснительная записка Рабочая программа по физике для 7 класса составлена на основе программы: Е.М.Гутник, А.В.Перышкин. Физика. 7-9 классы. М.: Дрофа, 202 год.
Динамика 008.Сила, возникающая между приводным ремнем и шкивом при его движении, является силой А) натяжения. В) трения скольжения. С) трения качения. D) упругости. Е) трения покоя.. Равнодействующая трех
Аннотация к рабочей программе по физике для 9 класса МБОУ «Средняя общеобразовательная школа 35 с углубленным изучением отдельных предметов» Приволжского района города Казани (общеобразовательный уровень)
1.5. Механические колебания и волны Основные законы и формулы Колебания, при которых физические величины, которые их описывают (например, отклонение от положения равновесия, скорость, ускорение и т.д.),
Лекция 4 Тема: Динамика материальной точки. Законы Ньютона. Динамика материальной точки. Законы Ньютона. Инерциальные системы отсчета. Принцип относительности Галилея. Силы в механике. Сила упругости (закон
1 Физические явления и законы Ответами к заданиям являются слово, словосочетание, число или последовательность слов, чисел. Запишите ответ без пробелов, запятых и других дополнительных символов. Два тела
Лабораторная работа 5 Определение модуля сдвига по крутильным колебаниям Целью работы является изучение деформации сдвига и кручения, определение модуля сдвига металлического стержня. Краткая теория Модуль
Федеральное агентство по образованию РФ Ухтинский государственный технический университет 7 Определение модуля сдвига методом кручения Методические указания к лабораторной работе для студентов всех специальностей
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «РОСТОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»
Работа 1. Определение скорости распространения упругих продольных волн по времени соударения стержней Оборудование: установка, стержни, электронный счетчик-секундомер, линейка. Введение Процесс распространения
Теория деформированного состояния Понятие о тензоре деформаций, главные деформации Обобщенный закон Гука для изотропного тела Деформация объема при трехосном напряженном состоянии Потенциальная энергия
3. СОПРОТИВЛЕНИЕ МАТЕРИАЛОВ 3.2. Осевое растяжение-сжатие. Растяжением или сжатием называют такой вид деформации бруса (стержня), при котором в его поперечных сечениях возникает только один внутренний
КАРТА СХЕМА ПРОРАБОТКИ ТЕМЫ КОЛЕБАТЕЛЬНОЕ ДВИЖЕНИЕ ОБЩИЕ ПОНЯТИЯ О КОЛЕБАНИЯХ 1. Определение колебаний. Виды колебаний Гармонические колебания: уравнение, амплитуда, фаза, частота, период. КИНЕМАТИКА ГАРМОНИЧЕСКИХ
12 Лекция 2. Динамика материальной точки. гл.2 План лекции 1. Законы Ньютона. Основное уравнение динамики поступательного движения. 2. Виды взаимодействий. Силы упругости и трения. 3. Закон Всемирного
Силы в природе
Сила упругости
Деформация – это изменение размеров, формы и конфигурации тела в результате действия внешних или внутренних сил (от лат. deformatio – искажение).
Твердые тела имеют кристаллическую решетку, в которой атомы находятся на определенном равновесном расстоянии друг от друга. Эти атомы взаимодействуют друг с другом с помощью кулоновских электростатических сил. Если на твердое тело действует внешняя сжимающая сила, стремящаяся уменьшить расстояние между атомами кристаллической решетки, то электростатическое равновесие нарушается, и в результате появляется сила упругости, стремящаяся вернуть тело в начальное недеформированное состояние.
Сила упругости действует со стороны деформируемого тела на внешние тела и направлена так, чтобы уменьшить деформацию тела.
Существуют различные виды деформации твердых тел: деформация растяжения (сжатия), деформация сдвига, деформация изгиба, деформация кручения.
Если после снятия нагрузки твердое тело возвращается в исходное недеформированное состояние, то такая деформация называется упругой деформацией. Иначе деформация называется пластической деформацией.
Упругая деформация возможна лишь под действием относительно небольших сил.
А
бсолютным удлинением называется разность длин деформированного и недеформированного тела:
Закон Гука
При упругой деформации растяжения или сжатия под действием внешних сил возникает сила упругости, величина которой прямо пропорциональна деформации тела и направлена противоположно направлению перемещения частиц при деформации:
Знак минус в формуле имеет решающее физическое значение: сила упругости всегда направлена так, что стремится возвратить тело в недеформированное состояние. Иными словами, если внешняя сила растягивает тело, то возникающая при этом сила упругости стремится сжать тело. Наоборот, если внешняя сила сжимает тело, то сила упругости стремится растянуть тело
Размерность жесткости:
В системе СИ за единицу размерности жесткости - ньютон на метр (Н/м) - принята жесткость такой пружины, которая под действием силы упругости величиной 1 ньютон растягивается на 1 метр.
Г
рафик зависимости силы упругости является для математика графиком прямой пропорциональности, то есть является прямой, проходящей через начало
координат.
Силой реакции опоры N называется сила упругости, действующая на данное тело со стороны опоры и направленная перпендикулярно одной из соприкасающихся поверхностей.
Силой натяжения нити T называется сила упругости, действующая на данное тело со стороны нити подвеса и направленная от тела по линии подвеса.
Вес тела
В
есом тела называется сила, с которой тело действует на опору и натягивает нить подвеса.
Вес тела - это не какая-то новая сила. Просто термин "вес" исторически очень широко используется в обыденной жизни. С ним связана вся торговля с незапамятных времен.
В быту слова "вес" и "тяжесть" являются синонимами термина "масса", что для физики совершенно недопустимо.
Также нельзя путать термины "вес" и "сила тяжести". Вес - это сила упругости , а сила тяжести является гравитационной силой.
Кроме того, даже по величине вес тела зависит от ускорения опоры и лежащего на этой опоре тела.
Если опора и тело вертикально движутся с ускорением, то это ускорение создается силой тяжести и силой реакции опоры, которая по третьему закону Ньютона равна по величине и противоположна по направлению силе давления тела на опору (то есть весу тела):
И
з этого векторного уравнения следует:
1. Если тело и опора покоятся относительно некоторой инерциальной системы отсчета, то вес тела равен силе тяжести:
2. Если опора, на которой находится тело, движется с ускорением, направленным вверх, возникает перегрузка.
3. Если тело и опора свободно падают, то вес тела равен нулю (состояние невесомости).
Состояние невесомости испытывают все предметы в искусственном спутнике Земли.
Если подпрыгнуть, то после отрыва от земли и до момента соприкосновения с землей человек испытывает состояние невесомости.
Сила трения
Сила трения покоя
Сила трения покоя возникает между двумя покоящимися друг относительно друга поверхностями двух твердых тел и направлена так, чтобы препятствовать относительному перемещению трущихся поверхностей.
В
еличина и направление силы трения покоя заранее неизвестны. Их приходится определять, исходя из конкретных условий задачи.
Если на тело, лежащее на горизонтальной опоре, действует внешняя горизонтальная сила, стремящаяся сдвинуть трущиеся поверхности, то сила трения покоя по величине равна, а по направлению - противоположна этой внешней силе
Мы можем прикладывать значительное усилие, чтобы сдвинуть тяжелый шкаф. Он остается на месте, поскольку сила трения покоя шкафа о пол уравновешивает наше усилие.
Максимальная сила трения покоя
Величина силы трения покоя не может быть больше максимальной силы трения покоя, которая пропорциональна силе реакции опоры (силе давления), существующей между трущимися телами.
Если постепенно увеличивать внешнюю горизонтальную силу, то сила трения покоя будет также увеличиваться, компенсируя сдвигающее действие внешней силы, и тело будет оставаться в покое. Такое компенсирующее действие силы трения покоя возможно лишь до тех пор, пока она не достигнет своего максимального значения, определяемого коэффициентом трения поверхностей тела и опоры и силой давления тела на опору (или равной ей по величине силой реакции опоры). После этого тело под действием внешней силы начнет сдвигаться, и сила трения покоя сменится силой трения скольжения (см. рис).
На практике максимальное значение силы трения покоя немного больше силы трения скольжения.
Сила трения скольжения
Между двумя движущимися друг относительно друга соприкасающимися поверхностями возникают силы трения скольжения, величины которых пропорциональны силе реакции опоры:
Сила трения скольжения всегда направлена против относительного перемещения трущихся поверхностей.
Силой сопротивления (силой вязкого трения) называют силу трения, возникающую при движении в жидких (газообразных) средах.
Силой сопротивления также называют силу, действующую на тело внутри твердой преграды (например, на пулю, которая пробивает стенку).
П
ричины трения покоя и скольжения
В большинстве случаев трение обусловлено шероховатостью поверхностей соприкасающихся тел.
В
процессе шлифовки и полировки поверхностей сила трения сначала уменьшается, а затем начинает увеличиваться.
Включается другой механизм: взаимное притяжение молекул соприкасающихся тел.
З
акон Архимеда
На тело, погруженное в жидкость, со стороны жидкости действует выталкивающая сила Архимеда, которая по величине равна весу вытесненной телом жидкости, а по направлению противоположна этому весу.
Для покоящейся жидкости величина силы Архимеда равна произведению плотности жидкости на ускорение свободного падения и на объем погруженной в жидкость части тела.
По своей природе сила Архимеда является силой упругости, возникающей в результате упругого сжатия жидкости под действием силы тяжести тела. Если сказать еще точней, то сила Архимеда - это равнодействующая всех сил давления, действующих со стороны жидкости на погруженное в нее тело.
Сила Архимеда существует не всегда. Если тело плотно прижать к дну банки так, чтобы между телом и дном не было воды, то сила давления жидкости на нижнюю грань тела исчезнет. Вместо выталкивающей силы на тело будут действовать сила давления на верхнюю грань, которая будет еще больше прижимать тело ко дну сосуда, и сила реакции опоры со стороны дна сосуда.
Условие плавания
Д
ля мореплавателей закон Архимеда является основным: только выталкивающая сила позволяет кораблю находиться на плаву и не тонуть.
На корабль действуют две силы: общая сила тяжести самого корабля и его груза и сила реакции воды, она же сила упругости, которая в этом случае носит специальное название - сила Архимеда. Условие плавания получается из условия равновесия корабля под действием этих двух сил.
«Сила упругости закон Гука» - Закон Гука. Спортивные снаряды Батуты Различные пружины. Книга, лежащая на столе, может само по себе упасть, провалиться? Почему покоятся тела, лежащие на опоре или подвешенные на нити? Сила упругости. Выяснить природу силы упругости. Сдвиг. Деформации в жизни. Растяжение, сжатие. Кручение. Падают ли тела?
«Применение кислорода» - Пожарный с автономным дыхательным аппаратом. При работе в воде. Вне земной атмосферы человек вынужден брать с собой запас кислорода. Больной находится в специальном аппарате в кислородной атмосфере при пониженном давлении. Применение кислорода. Кислород необходим практически всем живым существам. Главными потребителями кислорода являются энергетика, металлургия и химическая промышленность.
«Применение ИКТ на уроках географии» - Решение задач: Как называют эпоху открытий конца XV – начала XVIIв. ? Что в переводе с греческого обозначает слово «география»? Непосредственное применение в учебном процессе. Кто открыл Америку? Применение информационных технологий для обеспечения познавательного досуга. Какой путешественник оставил после себя труд «Хождение за три моря»?
«Сила упругости» - Закон Гука для малых упругих деформаций. Механическое напряжение. Виды силы упругости. Графическое представление закона Гука. Силы упругости имеют электромагнитную природу. Определите жесткость пружины. Что называется жесткостью тела? Основные типы упругой деформации. Формула закона Гука. Виды деформаций.
«Интерференция света и её применение» - - Угловой размер источника. - Условие максимума интерференции. Полосы локализованы в бесконечности, имеют вид колец. По смещению с помощью компенсатора определяют n2 - n1. Кольца Ньютона в зеленом и красном свете. 1. Цвета тонких пленок – интерференция при освещении пленки широким пучком. Позволяет обнаружить изменение n2 - n1 около 10-7.
«Применение углеводородов» - Применение алканов. Велико значение в медицине, парфюмерии и косметике. Значение алканов в современном мире огромно. Используется в медицине, паpфюмеpии и косметике. Проверь себя!!! Высшие алканы входят в состав смазочных масел. Цели: Циклопропан используется для наркоза. Производство пластмасс, каучуков, синтетических волокон, моющих средств и многих других веществ.
Нас окружает прекрасный мир – живая и неживая природа. Рукотворные и нерукотворные предметы материального мира существуют по законам природы и по своим собственным, присущим только данным предметам, закономерностям. Но в этом богатстве жизни одно свойство, общее для всех существ и объектов. Это – прочность, то есть способность сохраняться длительное время, не поддаваясь разрушению. Чтобы продолжить разговор о прочности, изучим и повторим некоторые физические понятия.
Как известно, условие возникновения силы упругости – это наличие деформации тела, то есть изменения его размеров или формы под действием внешних сил. Человеческое тело испытывает достаточно большую нагрузку от собственного веса и от усилий, прикладываемых во время различных действий, поэтому на примере тела человека можно проследить все виды деформаций.
Деформацию сжатия испытывают позвоночник и ноги. Деформацию растяжения – руки и все связки, сухожилия, мышцы. Деформацию изгиба – кости таза, позвоночник, конечности. Деформациию кручения – шея при повороте, кисти рук при вращении. Мышечные связки, лёгкие и некоторые другие органы обладают большой эластичностью, например, затылочная связка может быть растянута более чем вдвое.
Механическое напряжение – это сила упругости, действующая на единицу площади поперечного сечения тела (см. левую формулу). Если деформация является упругой, то механическое напряжение прямо пропорционально относительному удлинению тела (см. правую формулу).
Коффициентом пропорциональности служит так называемый модуль Юнга, который измеряется в ньютонах на квадратный метр (то есть паскалях) и обозначается символом E. Значение модуля Юнга показывает механическое напряжение, которое необходимо приложить к телу, чтобы удлинить его в 2 раза. Для различных материалов модуль Юнга меняется в широких пределах. Для стали, например, E=2·10 11 Н/м 2 , а для резины E=2·10 6 Н/м 2 . Для хрящевой ткани человека E=2·10 8 Н/м 2 .
Предельное напряжение, разрушающее кость плеча, около 8·10 8 Н/м 2 , предельное напряжение, разрушающее кость бедра, около 13·10 8 Н/м 2 . Сечение бедренной кости человека в средней её части напоминает пустотелый цилиндр, внешним радиусом 11 мм и внутренним 5 мм. Предел прочности костной ткани на сжатие равен 1,7·10 8 Н/м 2 . Разрушить её может только груз массой более 5 тонн!
Природа наделила человека и животных трубчатыми костями и сделала стебли злаков трубчатыми, сочетая экономию материала с прочностью и лёгкостью «конструкций». Под воздействием порыва ветра стебель здорового растения изгибается. Если при порыве ветра величины механических напряжений, возникших в стебле, не превышают критической величины, то после порыва ветра стебель выпрямляется. Если же при порыве ветра величины механических напряжений превысят критическую величину, то стебель не выпрямится и безвозвратно сместится от вертикального положения, то есть поляжет.
(C) 2010. Онучина Вера Ивановна (Марий Эл республика, п.Сернур)