§ 5.1. Сила упругости. Напряжение

Данная лекция посвящена двум видам сил, возникающих при непосредственном контакте взаимодействующих тел – силе упругости и силе трения. Причиной возникновения обеих сил является электромагнитное взаимодействие электронных облаков молекул контактирующих тел. Начнем с силы упругости.

Во второй лекции было введено понятие абсолютно твердого тела, в котором по определению расстояние между любыми двумя точками остается неизменным. Однако эксперимент показывает, что абсолютно твердых тел в природе не бывает. Все реальные тела деформируемы. Под действием приложенных сил они в той или иной степени изменяют свои форму и объем. Эти изменения называются деформациями. Деформации разделяют на упругие и пластические. Упругими называются деформации, полностью исчезающие после прекращения действия вызвавших их сил. Пластическими или остаточными называются деформации, которые полностью или частично сохраняются и после прекращения действия вызвавших их сил.

Исчезновение упругих деформаций после прекращения действия деформирующих сил объясняется особенностями взаимодействия частиц (молекул, атомов или ионов), образующих твердое тело. Из школьного курса физики Вам известно, что частицы вещества при непосредственном контакте отталкиваются, а на расстоянии – притягиваются. В твердом теле частицы находятся в равновесном состоянии, т.е. располагаются на таких расстояниях друг от друга, что силы их взаимного притяжения уравновешиваются силами взаимного отталкивания. При деформации тела частицы смещаются из равновесных положений, и возникает отличная от нуля равнодействующая сил притяжения и отталкивания, стремящаяся вернуть их в исходное состояние. Например, при сжатии тела расстояние между его частицами становится меньше равновесного, и силы отталкивания становятся больше сил притяжения, при растяжении – наоборот. В результате сложения микроскопических сил, стремящихся вернуть частицы в равновесное положение, возникает макроскопическая упругая сила, или сила упругости , которая препятствует дальнейшей деформации тела, а после исчезновения деформирующих сил возвращает тело к исходным размерам и форме. При пластических деформациях происходит перестройка микроскопической структуры тела, т.е. его частицы находят новые положения равновесия.

Рис. 5.1

Рассмотрим упруго деформированное твердое тело. Мысленно разделим его на две части (см. рис. 5.1). Тело остается единым целым благодаря тому, что каждая его часть действует на другую с силой упругости. Выделим на сечении тела малую площадку . Пусть - сила, с которой на площадке вторая часть тела действует на первую. Физическая величина, численно равная упругой силе, приходящейся на единицу площади поперечного сечения тела называется напряжением (или механическим напряжением) :

. (5.1)

Единицей измерения напряжения в системе СИ служить паскаль¹ (1 Па= = 1 Н/м²). Если сила совпадет по направлению с вектором нормали к площадке , напряжение называют нормальным ( ), если сила направлена по касательной к площадке, напряжение называют тангенциальным или касательным ( ).