§ 42. Сила упругости. Закон Гука.

Нам, известно, что в том случае, когда после прекращения действия силы, тело восстанавливает исходные форму и размеры, то происходит упругая деформация. Возникает естественный вопрос: под действием каких сил деформированное тело восстанавливает свои исходные формы и размеры?

Чтобы ответить на этот вопрос необходимо рассмотреть внутреннее строение тела.

Все тела состоят из молекул и атомов, взаимодействие между которыми осуществляется посредством электромагнитных сил. Атомы в твердых телах располагаются на таких расстояниях друг от друга, на которых действие сил притяжения и отталкивания между ними компенсируется. Это взаимодействие возможно на очень малом расстоянии, которое соизмеримо с размером атомов (вспомните опыт со слипающимися цилиндрами из свинца). Незначительное изменение расстояния между атомами приводит к тому, что действие сил отталкивания и притяжения не будет компенсироваться и какая-то из этих сил начнет преобладать. Из-за этого внутри тела возникнет сила, стремящаяся восстановить исходные расстояния между атомами в теле, а, следовательно, и начальную форму тела. Эта сила называется силой упругости. Совершенно ясно, что природа этой силы электромагнитная.

Если подействовать на упругий стержень, длина которого в недеформированном состоянии l_о, силой F, то незначительное изменение расстояния между атомами, равное , может привести к заметному удлинению всего стержня , которое можно измерить (рис.4.30).

Р азность (4.18) называется абсолютным удлинением.

Английский физик Роберт Гук экспериментально установил, что при незначительных деформациях тела:

Сила упругости, возникающая в теле при его деформации, прямо пропорциональна абсолютному удлинению, и направлена в сторону, противоположную деформации, т.е.

(4.19)

Это называется законом Гука.

Вставка о Гуке с фотографией.4.29

Абсолютное удлинение часто обозначают буквой х, поэтому закон Гука записывается и так:

(4.20)

Величина k в формулах (4.19) и (4.20) называется коэффициентом упругости или жесткостью. Он характеризует упругие свойства тела и зависит от рода материала тела, от его длины и сечения.

Единицей измерения коэффициента жесткости является .

Робертом Гуком, исходя из результатов эксперимента, была построена зависимость силы упругости от величины абсолютного удлинения (рис4.31).

Рис.4.31

Из графика видно, что зависимость эта линейная.

Используя линейную зависимость силы упругости от деформации можно изготовить прибор для измерения силы.

Динамометром (от латинских слов «динамис» - сила и «метрео» - измерять) называется прибор, предназначенный для измерения силы.

Школьный динамометр состоит из пластмассового корпуса, к которому прикреплена стальная пружина с указателем и крючком. На корпусе нанесена шкала в делениями от 0 до 4 Н.

Действие динамометра основано на уравновешивании силы, которую мы измеряем, силой упругости пружины.

Для того, чтобы верно производить измерения с помощью динамометра, необходимо проградуировать его шкалу, т.е. снабдить его шкалой с делениями. Делается это так: на корпус наклеивается лист белой бумаги, на котором отмечают положение указателя при нерастянутой пружине – это 0 Н. Затем пружину растягивают, действуя на нее силой 1 Н, и отмечают новое положение указателя, возле которого ставят цифру 1. Приложив к пружине силу 2 Н, растягивают ее еще больше и возле нового положения указателя ставят цифру 2 и т.д. Разделив расстояние между отметками 0 и 1, 1 и 2, 2 и 3, 3 и 4 на десять равных частей, получают деления, соответствующие 0,1 Н. Такое построение шкалы возможно благодаря закону Гука, из которого следует, что сила упругости пружины увеличивается во столько же раз, во сколько увеличивается ее удлинение.

Рис.4.32 (школьный динамометр)

Кроме школьного динамометра существуют ручные динамометры (для измерения мускульной силы рук), тяговые динамометры (для измерения силы тяги).

Вопросы для самоконтроля:

1. Какие силы называются упругими?

2. Как возникают силы упругости?

3. Что называют абсолютным удлинением?

4. Сформулируйте закон Гука.

5. Каков физический смысл коэффициента упругости?

6. Изобразите графически зависимость силы упругости, возникающей в пружине жесткостью 120 Н/м от величины абсолютной деформации.

7. Напишите реферат или сделайте сообщение о жизни и исследованиях английского физика Роберта Гука.

8. Каково назначение динамометра?

9. Как устроен школьный динамометр?

10. Как производят градуировку динамометра?

11. К динамометру подвесили груз массой 200 г. Какими будут показания динамометра?