Изучение деформации

Деформация физического тела вполне определяется, если известен вектор перемещения каждой его точки.

Деформация твёрдых тел в связи со структурными особенностями последних изучается физикой твёрдого тела, а движения и напряжения в деформируемых твёрдых телах — теорией упругости и пластичности. У жидкостей и газов, частицы которых легкоподвижны, исследование деформации заменяется изучением мгновенного распределения скоростей.

Причины возникновения деформации твёрдых тел

Деформация твёрдого тела может явиться следствием фазовых превращений, связанных с изменением объёма, теплового расширения, намагничивания (магнитострикция), появления электрического заряда (пьезоэлектрический эффект) или же результатом действия внешних сил.

Упругая и пластическая деформация

Деформация называется упругой, если она исчезает после удаления вызвавшей её нагрузки (то есть тело возвращается к первоначальным размерам и форме), и пластической, если после снятия нагрузки деформация не исчезает (или исчезает не полностью).

Все реальные твёрдые тела при деформации в большей или меньшей мере обладают пластическими свойствами. При некоторых условиях пластическими свойствами тел можно пренебречь, как это и делается в теории упругости. Твёрдое тело с достаточной точностью можно считать упругим, то есть не обнаруживающим заметных пластических деформаций, пока нагрузка не превысит некоторого предела (предел упругости).

Природа пластической деформации может быть различной в зависимости от температуры, продолжительности действия нагрузки или скорости деформации. При неизменной нагрузке, приложенной к телу, деформация изменяется со временем; это явление называется ползучестью. С возрастанием температуры скорость ползучести увеличивается. Частными случаями ползучести являются релаксация и упругое последействие. Одной из теорий, объясняющих механизм пластической деформации, является теория дислокаций в кристаллах.

4.​ Масса (определение, физический смысл). Импульс материальной точки. Законы изменения и сохранения импульса.

Ма́сса (от греч. μάζα — «кусок теста») — скалярная физическая величина, одна из важнейших величин в физике. Первоначально (XVII—XIX века) она характеризовала «количество вещества» в физическом объекте, от которого, по представлениям того времени, зависели как способность объекта сопротивляться приложенной силе (инертность), так и гравитационные свойства — вес.

В современной физике понятие «количество вещества» имеет другой смысл, а масса тесно связана с понятиями «энергия» и «импульс» (по современным представлениям — масса эквивалентна энергии покоя). Масса проявляется в природе несколькими способами.

• Пассивная гравитационная масса показывает, с какой силой тело взаимодействует с внешними гравитационными полями — фактически эта масса положена в основу измерения массы взвешиванием в современной метрологии.

• Активная гравитационная масса показывает, какое гравитационное поле создаёт само это тело — гравитационные массы фигурируют в законе всемирного тяготения.

• Инертная масса характеризует инертность тел и фигурирует в одной из формулировок второго закона Ньютона. Если произвольная сила в инерциальной системе отсчёта одинаково ускоряет разные исходно неподвижные тела, этим телам приписывают одинаковую инертную массу.

Гравитационная и инертная массы равны друг другу (с высокой точностью — порядка 10⁻¹³ — экспериментально^[1][2], а в большинстве физических теорий, в том числе всех, подтверждённых экспериментально — точно), поэтому в том случае, когда речь идёт не о «новой физике», просто говорят о массе, не уточняя, какую из них имеют в виду.

В классической механике масса системы тел равна сумме масс составляющих её тел. В релятивистской механике масса не является аддитивной физической величиной, то есть масса системы в общем случае не равна сумме масс компонентов, а включает в себя энергию связи, а также энергию движения частиц друг относительно друга^[3].

Прямые обобщения понятия массы включают в себя такие тензорные характеристики как момент инерции, и такие характеристики инерциальных свойств системы «тело плюс среда», как присоединённую массу и эффективную массу, используемые в гидродинамике и квантовой теории. В квантовой теории рассматриваются также поля с нестандартными кинетическими членами, например, поле Хиггса, которые можно рассматривать как поля, масса квантов которых зависит от их энергии.

   Введем новую физическую величину - импульс материальной точки. Дадим другую формулировку второго закона Ньютона.    Второй закон Ньютона можно записать в иной форме, которая приведена самим Ньютоном в его главном труде «Математические начала натуральной философии».    Если на тело (материальную точку) действует постоянная сила, то постоянным будет и ускорение тела , где и - начальное и конечное значения скорости тела.    Подставив это значение ускорения во второй закон Ньютона, получим

или

   В этом уравнении появляется новая физическая величина - импульс тела.    Импульсом тела (материальной точки) называется величина, равная произведению массы тела на его скорость.    Обозначив импульс (его также называют иногда количеством движения) буквой , получим

   Из формулы (5.2) видно, что импульс - векторная величина. Так как m>0, то импульс имеет такое же направление, как и скорость (рис.5.1).

   Обозначим через импульс тела в начальный момент времени, а через - его импульс в конечный момент времени. Тогда есть изменение импульса тела за время . Теперь уравнение (5.1) можно записать так:

   Так как , то направления векторов  и совпадают. Согласно формуле (5.3) изменение импульса тела (материальной точки) пропорционально приложенной к нему силе и имеет такое же направление, как и сила. .    Произведение силы на время ее действия называют импульсом силы. Поэтому можно сказать, что изменение импульса тела равно импульсу действующей на него силы. Уравнение (5.3) показывает, что одинаковые изменения импульса могут быть получены в результате действия большой силы в течение малого интервала времени или малой силы за большой промежуток времени.    Единица импульса не имеет особого названия, а ее наименование получается из определения этой величины (см. формулу (5.2)):     1 ед. импульса = 1 кг•1 м/с = 1 кг•м/с. Закон сохранения импульсаформулируется так:если сумма внешних сил равна нулю, то импульс системы тел сохраняется. Иначе говоря, в этом случае тела могут только обмениваться импульсами, суммарное же значение импульса не изменяется.    Импульс, очевидно, сохраняется в изолированной системе тел, так как в этой системе на тела вообще не действуют внешние силы. Но область применения закона сохранения импульса шире: если даже на тела системы действуют внешние силы, но их сумма равна нулю (т. е. система является замкнутой), то импульс системы все равно сохраняется.    Полученный результат справедлив для системы, содержащей произвольное число тел:

где - скорости тел в начальный момент времени; - скорости тел в конечный момент.    Так как импульс - векторная величина, то уравнение (5.9) представляет собой компактную запись трех уравнений для проекций импульсов системы на оси координат.    Если сумма внешних сил не равна нулю, но сумма проекций сил на какое-то направление равна нулю, то проекция суммарного импульса системы на это направление не меняется. Например, систему тел на Земле или вблизи поверхности Земли нельзя считать изолированной, так как на тела действует внешняя сила - сила тяжести. Однако вдоль горизонтального направления сила тяжести не действует и сумма проекций импульсов тел на это направление будет оставаться неизменной, если действием сил трения можно пренебречь.    В изолированной системе тел импульс системы сохраняется. Также он может сохраняться в случае, если сумма внешних сил, действующих на систему, равна нулю.