Напряжение закон гука. Вывод закона гука для различных видов деформации. Закон Гука в математической форме

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Деформациями называются любые изменения формы, размеров и объема тела. Деформация определяет конечный результат движения частей тела друг относительно друга.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Упругими деформациями называются деформации, полностью исчезающие после устранения внешних сил.

Пластическими деформациями называются деформации, полностью или частично сохраняющиеся после прекращения действии внешних сил.

Способность к упругим и пластическим деформациям зависит от природы вещества, из которого состоит тело, условий, в которых оно находится; способов его изготовления. Например, если взять разные сорта железа или стали, то у них можно обнаружить совершенно разные упругие и пластичные свойства. При обычных комнатных температурах железо является очень мягким, пластичным материалом; закаленная сталь, наоборот, — твердый, упругий материал. Пластичность многих материалов представляет собой условие для их обработки, для изготовления из них нужных деталей. Поэтому она считается одним из важнейших технических свойств твердого вещества.

При деформации твердого тела происходит смещение частиц (атомов, молекул или ионов) из первоначальных положений равновесия в новые положения. При этом изменяются силовые взаимодействия между отдельными частицами тела. В результате в деформированном теле возникают внутренние силы, препятствующие его деформации.

Различают деформации растяжения (сжатия), сдвига, изгиба, кручения.

Силы упругости

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Силы упругости – это силы, возникающие в теле при его упругой деформации и направленные в сторону, противоположную смещению частиц при деформации.

Силы упругости имеют электромагнитную природу. Они препятствуют деформациям и направлены перпендикулярно поверхности соприкосновения взаимодействующих тел, а если взаимодействуют такие тела, как пружины, нити, то силы упругости направлены вдоль их оси.

Силу упругости, действующую на тело со стороны опоры, часто называют силой реакции опоры.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Деформация растяжения (линейная деформация) – это деформация, при которой происходит изменение только одного линейного размера тела. Ее количественными характеристиками являются абсолютное и относительное удлинение.

Абсолютное удлинение:

где и длина тела в деформированном и недеформированном состоянии соответственно.

Относительное удлинение:

Закон Гука

Небольшие и кратковременные деформации с достаточной степенью точности могут рассматриваться как упругие. Для таких деформаций справедлив закон Гука:

где проекция силы на ось жесткость тела, зависящая от размеров тела и материала, из которого оно изготовлено, единица жесткости в системе СИ Н/м.

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1

Задание	Пружина жесткостью Н/м в ненагруженном состоянии имеет длину 25 см. Какова будет длина пружины, если к ней подвесить груз массой 2 кг?
Решение	Сделаем рисунок. На груз, подвешенный на пружине, действуют и сила упругости . Спроектировав это векторное равенство на координатную ось , получим: По закону Гука сила упругости: поэтому можно записать: откуда длина деформированной пружины: Переведем в систему СИ значение длины недеформированной пружины см м. Подставив в формулу численные значения физических величин, вычислим:
Ответ	Длина деформированной пружины составит 29 см.

ПРИМЕР 2

Задание	По горизонтальной поверхности передвигают тело массой 3 кг с помощью пружины жесткостью Н/м. На сколько удлинится пружина, если под ее действием при равноускоренном движении за 10 с скорость тела изменилась от 0 до 20 м/с? Трением пренебречь.
Решение	Сделаем рисунок. На тело действуют , сила реакции опоры и сила упругости пружины .

Если на тело воздействовать некоторой силой, то его размер и (или) форма изменяются. Это процесс называют деформацией тела. В телах, подвергающихся деформациям, возникают силы упругости, уравновешивающие внешние силы.

Виды деформации

Все деформации можно разделить на два вида: упругие деформации и пластические .

Определение

Упругой называют деформацию, если после снятия нагрузки прежние размеры тела и его форма полностью восстанавливаются.

Определение

Пластической считают деформацию, при которой появившиеся, вследствие деформации, изменения размера и формы тела, после снятия нагрузки восстанавливаются частично.

Характер деформации зависит от

• величины и времени воздействия внешней нагрузки;
• материала тела;
• состояния тела (температуры, способов обработки и т.д).

Резкой границы между упругой и пластической деформациями не существует. В большом числе случаев малые и кратковременные деформации можно считать упругими.

Формулировки закона Гука

Эмпирически получено, что чем большую деформацию необходимо получить, тем большую деформирующую силу следует приложить к телу. По величине деформации ($\Delta l$) можно судить о величине силы:

\[\Delta l=\frac{F}{k}\left(1\right),\]

выражение (1) означает, что абсолютная величина упругой деформации прямо пропорциональная приложенной силе. Данное утверждение является содержанием закона Гука.

При деформации удлинения (сжатия) тела выполняется равенство:

где $F$ - деформирующая сила; $l_0$ - начальная длина тела; $l$ - длина тела после деформации; $k$ - коэффициент упругости (коэффициент жесткости, жесткость), $ \left=\frac{Н}{м}$. Коэффициент упругости зависит от материала тела, его размеров и формы.

Так как в деформированном теле возникают силы упругости ($F_u$), которые стремятся восстановить прежние размеры и форму телу, то часто закон Гука формулируют относительно сил упругости:

Закон Гука хорошо работает для деформаций, которые возникают в стержнях из стали, чугуна, и других твердых веществ, в пружинах. Справедлив закон Гука для деформаций растяжения и сжатия.

Закон Гука для малых деформаций

Сила упругости зависит от изменения расстояния между частями одного и того же тела. Следует помнить, что закон Гука выполняется только для малых деформаций. При больших деформациях сила упругости не пропорциональна измерению длины, при дальнейшем увеличении деформирующего воздействия тело способно разрушаться.

Если деформации тела малы, то силы упругости можно определять по ускорению, которое данные силы сообщают телам. Если тело неподвижно, то модуль силы упругости находят из равенства нулю векторной суммы сил, которые действуют на тело.

Закон Гука можно записывать не только относительно сил, но часто его формулируют для такой величины как напряжение ($\sigma =\frac{F}{S}$ - сила, которая действует на единичную площадь поперечного сечения тела), тогда для малых деформаций:

\[\sigma =Е\frac{\Delta l}{l}\ \left(4\right),\]

где $Е$ - модуль Юнга;$\ \frac{\Delta l}{l}$ - относительное удлинение тела.

Примеры задач с решением

Пример 1

Задание. К стальному тросу длинной $l$, диаметром $d$ подвесили груз массой $m$. Каково напряжение в тросе ($\sigma $), а также абсолютное его удлинение ($\Delta l$)?

Решение. Сделаем рисунок.

Для того чтобы найти силу упругости, рассмотрим силы, которые действуют на тело, подвешенное к тросу, так как сила упругости будет равна по величине силе натяжения ($\overline{N}$). По второму закону Ньютона имеем:

В проекции на ось Y уравнения (1.1) получим:

По третьему закону Ньютона тело, действует на трос с силой равной по величине силе $\overline{N}$, трос, действует на тело с силой $\overline{F}$, равной$\overline{\ N,}$ но противоположного направления, так деформирующая трос сила ($\overline{F}$) равна:

\[\overline{F}=-\overline{N\ }\left(1.3\right).\]

Под воздействием деформирующей силы в тросе возникает сила упругости, которая равна по величине:

Напряжение в тросе ($\sigma $) найдем как:

\[\sigma =\frac{F_u}{S}=\frac{mg}{S}\left(1.5\right).\]

Площадь S - это площадь поперечного сечения троса:

\[\sigma =\frac{4mg\ }{{\pi d}^2}\left(1.7\right).\]

По закону Гука:

\[\sigma =Е\frac{\Delta l}{l}\left(1.8\right),\]

\[\frac{\Delta l}{l}=\frac{\sigma }{E}\to \Delta l=\frac{\sigma l}{E}\to \Delta l=\frac{4mgl\ }{{\pi d}^2E}.\]

Ответ. $\sigma =\frac{4mg\ }{{\pi d}^2};\ \Delta l=\frac{4mgl\ }{{\pi d}^2E}$

Пример 2

Задание. Какова абсолютная деформация первой пружины из двух последовательно соединенных пружин (рис.2), если коэффициенты жесткости пружин равны: $k_1\ и\ k_2$, а удлинение второй пружины составляет $\Delta x_2$?

Решение. Если система из последовательно соединенных пружин находится в состоянии равновесия, то силы натяжения данных пружин одинаковы:

По закону Гука:

Согласно (2.1) и (2.2) имеем:

Выразим из (2.3) удлинение первой пружины:

\[\Delta x_1=\frac{k_2\Delta x_2}{k_1}.\]

Ответ. $\Delta x_1=\frac{k_2\Delta x_2}{k_1}$.

Темы кодификатора ЕГЭ: силы в механике, сила упругости, закон Гука.

Как мы знаем, в правой части второго закона Ньютона стоит равнодействующая (то есть векторная сумма) всех сил, приложенных к телу. Теперь нам предстоит изучить силы взаимодействия тел в механике. Их три вида: сила упругости, гравитационная сила и сила трения. Начинаем с силы упругости.

Деформация.

Силы упругости возникают при деформациях тел. Деформация - это изменение формы и размеров тела. К деформациям относятся растяжение, сжатие, кручение, сдвиг и изгиб.
Деформации бывают упругими и пластическими. Упругая деформация полностью исчезает после прекращения действия вызывающих её внешних сил, так что тело полностью восстанавливает форму и размеры. Пластическая деформация сохраняется (быть может, частично) после снятия внешней нагрузки, и тело уже не возвращается к прежним размерам и форме.

Частицы тела (молекулы или атомы) взаимодействуют друг с другом силами притяжения и отталкивания, имеющими электромагнитное происхождение (это силы, действующие между ядрами и электронами соседних атомов). Силы взаимодействия зависят о расстояний между частицами. Если деформации нет, то силы притяжения компенсируются силами отталкивания. При деформации изменяются расстояния между частицами, и баланс сил взаимодействия нарушается.

Например, при растяжении стержня расстояния между его частицами увеличиваются, и начинают преобладать силы притяжения. Наоборот, при сжатии стержня расстояния между частицами уменьшаются, и начинают преобладать силы отталкивания. В любом случае возникает сила, которая направлена в сторону, противоположную деформации, и стремится восстановить первоначальную конфигурацию тела.

Сила упругости - это сила, возникающая при упругой деформации тела и направленная в сторону, противоположную смещению частиц тела в процессе деформации. Сила упругости:

1. действует между соседними слоями деформированного тела и приложена к каждому слою;
2. действует со стороны деформированного тела на соприкасающееся с ним тело, вызывающее деформацию, и приложена в месте контакта данных тел перпендикулярно их поверхностям (типичный пример - сила реакции опоры).

Силы, возникающие при пластических деформациях, не относятся к силам упругости. Эти силы зависят не от величины деформации, а от скорости её возникновения. Изучение таких сил
выходит далеко за рамки школьной программы.

В школьной физике рассматриваются растяжения нитей и тросов, а также растяжения и сжатия пружин и стержней. Во всех этих случаях силы упругости направлены вдоль осей данных тел.

Закон Гука.

Деформация называется малой , если изменение размеров тела много меньше его первоначальных размеров. При малых деформациях зависимость силы упругости от величины деформации оказывается линейной.

Закон Гука . Абсолютная величина силы упругости прямо пропорциональна величине деформации. В частности, для пружины, сжатой или растянутой на величину , сила упругости даётся формулой:

(1)

где - коэффициент жёсткости пружины.

Коэффициент жёсткости зависит не только от материала пружины, но также от её формы и размеров.

Из формулы (1) следует, что график зависимости силы упругости от (малой) деформации является прямой линией (рис. 1 ):

Рис. 1. Закон Гука

Коэффициент жёсткости - о угловой коэффициент в уравнении прямой . Поэтому справедливо равенство:

где - угол наклона данной прямой к оси абсцисс. Это равенство удобно использовать при экспериментальном нахождении величины .

Подчеркнём ещё раз, что закон Гука о линейной зависимости силы упругости от величины деформации справедлив лишь при малых деформациях тела. Когда деформации перестают быть малыми, эта зависимость перестаёт быть линейной и приобретает более сложный вид. Соответственно, прямая линия на рис. 1 - это лишь небольшой начальный участок криволинейного графика, описывающего зависимость от при всех значениях деформации .

Модуль Юнга.

В частном случае малых деформаций стержней имеется более детальная формула, уточняющая общий вид ( 1 ) закона Гука.

Именно, если стержень длиной и площадью поперечного сечения растянуть или сжать
на величину , то для силы упругости справедлива формула:

Здесь - модуль Юнга материала стержня. Этот коэффициент уже не зависит от геометрических размеров стержня. Модули Юнга различных веществ приведены в справочных таблицах.

Силы упругости появляются только тогда, когда тела деформируются. Эти силы определены деформацией, при этом силы упругости растут увеличиваются с ростом деформации. Деформации возникают потому, что разные части тела перемещаются по-разному. Если после прекращения действия деформирующей силы деформация исчезает, то такая деформация называется упругой. Мерой деформации может служить относительная деформация, которую определяют как отношение абсолютной деформации ()к первоначальной величине, которая характеризует размер (или форму) тела ().

Формулировка закона Гука

Напряжение в результате упругой деформации () тела является пропорциональным относительной деформации. В виде формулы данный закон запишем как:

где — физическая величина, равная силе упругости (), которая приходится на единицу площади сечения тела (dS). — модуль упругости () — коэффициент упругости.

Закон Гука применим в определённых пределах деформации, до тех пор пока не достигается предел упругости.

При рассмотрении нормального напряжения, при котором сила упругости () направлена перпендикулярно площадке dS закон Гука можно представить в виде:

Так, например, если растягивают (сжимают) пружину вдоль оси X закон Гука записывается в виде:

где — модуль проекции силы упругости; — коэффициент упругости пружины, — абсолютное удлинение пружины.

Сила упругости (), возникающая как следствие деформации пружины, направленна в сторону противоположную смещению частиц, тела, подвергнутого деформации.

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1

Задание	Определите, какую работу следует совершить для того, чтобы сжать пружину на величину , если известно, что закон Гука выполняется, коэффициент упругости пружины равен k.
Решение	По определению работа будет равна: где сила упругости и перемещение направлены в противоположные стороны. (рис.1). По закону Гука и учитывая, что имеем дело со сжатием, получим: Подставив правую часть выражения (1.2) в (1.1), имеем:
Ответ

ПРИМЕР 2

Задание	Две пружины соединены последовательно, система подвешена вертикально и к нижнему концу пружины подвешен груз (рис.2). Жесткости пружин равны и . Считая, что массы пружин малы в сравнении с массой груза, найдите отношение потенциальных энергий пружин ().
Решение	Физический износ основных фондов можно характеризовать следующим признаком: Запишем потенциальные энергии каждой пружины: Запишем второй закон Ньютона для груза, рассматривая по очереди пружины, если он находится в условиях равновесия, считая пружины невесомыми:

Всё, что происходит в природе, основывается на действии различных сил – закон Гука является тому подтверждением. Это одно из основополагающих явлений науки.

Этот процесс является определяющим звеном процессов сжатия, изгибов, растяжения и других видоизменений материалов различных структур.

Разберёмся, в чем же заключается этот закон, как можно применить правило Гука на практике, и всегда ли оно выполняется.

Определение и формула закона Гука

Давно люди пытались объяснить происхождение явлений сжатия и растяжения. Отсутствие знаний являлось причиной накопления экспериментальных данных. Собственно, свою теорему английский испытатель Гук открыл из своих наблюдений и опытов. Только позже, после смерти ученого, современники назовут выведенную им аксиому – законом Гука.

Исследователь заметил, что при каждом упругом воздействии на объект появляется сила, которая возвращает его в исходную форму. Это и послужило началом экспериментов.

Аксиома Гука гласит:

При очень маленьких упругих воздействиях создается сила, пропорциональная изменению объекта, но противоположного знака по абсолютной величине перемещения его частиц.

Математически это определение можно записать следующим образом:

F x = F упр = — k * x ,

где в левой части указывается:

сила, действующая на тело;

x – перемещение тела (м);

k – коэффициент деформации, зависящий от свойств объекта.

Единица измерения, как и любой другой силы, является Ньютон.

Кстати, k еще называют жёсткостью тела, она измеряется в H/м. Жесткость обусловлена не внешними параметрами объекта, а зависит от его материала.

Правда, стоит учесть, что его закон справедлив только для упругих деформаций.

Сила упругости

Формулировка основывается на определении силы упругости. В чем же заключается ее отличие от других воздействий на тело?

На самом деле, сила упругости может возникать в любой точке тела при его упругой деформации. Что понимается под таким воздействием? Это изменение формы тела, при котором объект через определенный период времени возвращается в исходный вид.

А это в свою очередь происходит из-за молекулярного воздействия частиц: при любой деформации происходит изменение расстояния между молекулами объекта, а кулоновские силы притяжения или отталкивания стремятся вернуть тело в исходное положение.

Самая простая модель, демонстрирующая действие сил упругости, является пружинным маятником.

Какая формула выражает аксиому, установленную ученым в этом случае?

Тут аксиома Гука запишется в виде:

ε = α * S ,

где ε – относительное удлинение тела (его величина равна отношению удлинения к перемещению);

α – коэффициент пропорциональности (обратно пропорционален модулю Юнга Е);

S – механическое напряжение объекта (его величина равна отношению силы упругости к площади сечения тела).

Учитывая вышесказанное, уравнение можно записать так:

Δx / x = F упр / E * S ,

где Δx – максимальный сдвиг при деформации.

Стоит преобразовать данное выражение, тогда получим следующее:

F упр = (E * S / x ) Δx = k * Δx.

Поскольку сила упругости противоположна внешнему воздействию, то кратко закон читается таким образом:

F упр = — k * Δx.

В нем не зря упомянуты малые по величине деформации: при них Δx ̴ x, следовательно, F упр = — k * x.

При каких условиях выполняется закон Гука

А теперь посмотрим, каковы границы применимости этого выражения, и в каких условиях оно вообще выполняется.

Следует знать, что основным условием является:

s = E * e ,

где слева в уравнении находится напряжение, возникающее при деформации, а в правой части модуль Юнга и удлинение.

Причем, E зависит от характеристик частиц объекта, но не от его параметров формы, а второй множитель берется по модулю.

В целом аксиома Гука справедлива для многих ситуаций.

Так, при упругом изгибе пружины, лежащей на двух опорах, математическая запись теоремы выглядит следующим образом:

F упр = — m * g

F упр = — k * x

В иных ситуациях (при кручении, различных маятниках и других деформирующих процессах) аналогично записывается воздействие сил на объект.

Как применить закон упругой деформации на практике

Этот закон (обобщенный для многих ситуаций) является базовым в динамике и статике тел, поэтому его применимость осуществляется в областях, где необходимо проводить расчет жесткости и напряжения деформации объектов.

В первую очередь, правило Гука необходимо применять в строительстве и технике. Так, рабочие должны точно знать, какой максимальный груз может поднять башенный кран или какую нагрузку выдержит фундамент будущего здания.

Ни один из поездов не обходится без деформации растяжения и сжатия, поэтому закон Гука справедлив и для этих ситуаций. Кроме того, механизм и принцип действия любых динамометров, которыми снабжены некоторые части технического оборудования, также основываются на этом замечательном законе.

Закон Гука выполняется во всех объектах, являющихся аналогами модели «пружинный маятник».

В обычной жизни, дома, можно видеть применимость этого закона в пружинах некоторых механизмов.

Таким образом, закон Гука применим во многих сферах жизни человека. Он является одним из базовых явлений, на которых держится существование всей жизни на планете.

Заключение

Подводя итоги, следует отметить, что закон Гука – универсальный помощник в задачах с решениями по деформации объектов не только в студенческих книжках по сопромату, но и в различных инженерных областях.

Именно эти простые задания помогают ученым и мастерам создавать новые технические модели, необходимые в условиях современного технического прогресса.