что влияет на свойства тела

«Свойства тел»

Разделы: Физика

Цели урока:

Задачи:

Оборудование: мяч, кубик-Рубика, коробка, цветок, кубик из пенопласта, колба, электронные весы, алюминиевые пластинки, геометрические фигуры, магниты.

Ход урока

I. Организационный момент:

а) взаимное приветствие;

б) отметка отсутствующих;

Вступительное слово.

Здравствуйте, ребята. На предыдущих уроках мы говорили с вами о природе и сегодня продолжим разговор о ней.

Вопрос: Вспомните, что такое природа?

Ответ: Природа – это всё многообразие окружающего нас мира, всё, что возникло естественным путём.

Человеку всегда было присуще замечательное свойство – любознательность, непреодолимая тяга познавать окружающий мир, исследовать его, постигать суть явлений, в нём происходящих. И это ему удавалось и удаётся при помощи различных научных методов.

Вопрос: Какие методы изучения природы вам известны?

Ответ: Наблюдение и эксперимент.

Вы знаете, что наблюдение и эксперимент взаимосвязаны. В ходе наблюдения за каким-либо явлением или событием, человек тщательно записывает все изменения, происходящие с телами, затем высказывает гипотезу о том, как происходит явление, о причинах, его вызывающих. Правильность гипотезы проверяет экспериментально. Потом делает выводы. При этом использует специальные слова – термины. Что же такое «термин»?

Термин – это слово или сочетание слов, точно обозначающее определённое понятие. (В листочках записывают определение термина). (Приложение 1, слайд № 2).

Вопрос: Посмотрите вокруг и скажите, что вас окружает?

Ответ: Вокруг нас расположены парты, стулья, книги, ребята и т. д.

Вопрос: Правильно, нас окружают различные предметы. Каким термином учёные называют все предметы?

Ответ: Телами.

Вопрос: Когда вы читаете или слышите слово «тело», что вы представляете?

Ответ: Тело человека, животного.

Телами называют все предметы, окружающие нас.

II. Изучение нового материала.

Природа состоит из огромного количества разнообразных тел. Сегодня на уроке мы продолжим изучать тела.

Цель нашего урока – выяснить, какими свойствами обладают тела? Что такое свойства тел?

Ответ: Свойства тела – это признаки, по которым тела отличают друг от друга.

Вы знаете, что среди бесчисленных и разнообразных тел природы есть тела естественные, которые созданы природой, и ещё есть тела, сделанные человеком. Их называют искусственными.

Вопрос: Посмотрите на картинки и назовите тела, которые относятся к первой группе.

Ответ: Дерево, трава, камень, Солнце, бабочка и другие.

Вопрос: Назовите тела, которые относятся ко второй группе.

Ответ: Карандаш, книга, ручка, стол, сумка и другие.

Вопрос: Посмотрите на картинки и скажите, на какие ещё две группы делятся тела?

Ответ: Тела делятся на живые и неживые.

Вопрос: Приведите примеры живых и неживых тел природы.

Ответ: Живые: растения, животные. Неживые: камень, Луна.

Первое свойство тел – это деление на живые – неживые.

На доске записана тема урока, затем при помощи магнита прикрепляем листочки со свойствами тел (слайд № 3).

Другие свойства тел попробуем узнать, отгадав загадки (слайд № 4).

Загадки.

Вопрос: Как вы думаете, о каком свойстве тела говорится в этих загадках?

Ответ: О размере, длине тела? Что же такое размер тела?

Размер – величина предмета, масштаб какого-нибудь явления (слайд № 5).

Размер тела находят при помощи линейки, сантиметровой ленты. Итак, второе свойство тела – это размер.

А теперь послушайте другие загадки (слайд № 6).

Вопрос: О каком ещё свойстве тела говорится в загадках?

Ответ: О форме тела (слайд № 7).

Форма (лат. forma) – внешнее очертание, наружный вид, контуры предмета.

Посмотрите на предметы, находящиеся на столе. С одной стороны расположены геометрические фигуры, с другой – тела. Какой они формы? (На столе находятся футбольный мяч (шар), гранит (без формы), карандаш (цилиндр), коробка от мела (прямоугольный параллелепипед), книга (прямоугольный параллелепипед), кубик-Рубика (куб), треугольная пирамидка-Рубика (тетраэдр), колба (конус), гайка (шестиугольная призма), цветок (без формы)).

Обратите внимание на то, что одни тела имеют правильную геометрическую форму, другие неправильной формы.

Ребята, вспомните, какие тела правильной геометрической формы вы уже видели?

(На слайде № 7 фотографии или рисунки предметов с разнообразными формами).

(В листочках записывают примеры тел с правильной геометрической формой и неправильной).

А теперь посмотрите ещё раз на предметы, лежащие на столе и скажите, какое ещё свойство тела мы с вами не назвали? Опишите мяч. Какой он?

Ответ: Круглый, синий или голубой (или другого цвета).

Четвёртое свойство тел – это цвет.

Кроме размера, формы, цвета тела обладают и другими характеристиками. Поговорим об одной из них. Посмотрите внимательно на стол. На столе лежат два кубика. Один из пенопласта, а другой сделан из пластмассы. Они одинаковые по размеру и форме, но между ними есть отличие.

Вопрос: Как вы думаете, чем друг от друга отличаются данные кубики?

Ответ: Они отличаются массой.

Правильно, каждое тело обладает массой. А знаете ли вы, в каких единицах измеряется масса? За единицу массы принят килограмм. Международный образец (эталон) килограмма хранится во Франции в городе Севре. С этого образца с большой точностью изготовлены копии для других стран. За единицу массы (килограмм) была принята платиноиридиевая гиря в форме цилиндра диаметром и высотой 39 мм. Она храниться под двумя стеклянными куполами, из которых выкачан воздух. Это делается для того, чтобы сплав не соединился с воздухом. В противном случае масса гири может значительно увеличиться.

Для измерения массы любого тела используют весы (слайд № 8).

Вопрос: Какие весы вам известны?

Ответ: Механические, электронные.

Посмотрите на экран (фотографии различных весов).

У нас тоже есть весы. Одни электронные, другие рычажные. На столе у вас лежат электронные весы. Они могут измерить только массу тел до 200 грамм. В синих штативах (коробочках) находятся пластинки из пенопласта и алюминия. Вам нужно будет измерить массу этих пластинок. Для этого необходимо достать весы из коробочки, поставить на стол, затем нажать на красную кнопку и подождать, пока не появиться два нуля. Потом взять поочерёдно пластинки и измерить их массу, результаты занести в листочек. Сформулируем цель лабораторной работы: определить массу пенопластовой и алюминиевой пластинок и сделать вывод о том, какое тел больше весит. Выполняйте работу, а затем полученные данные впишите в таблицу, сделайте вывод.

На следующем уроке мы с вами будем учиться измерять массу тел при помощи рычажных весов.

Итак, подведём итог. О каких свойствах тел вы узнали на этом уроке?

Ответ: Мы узнали, что тела бывают живыми и неживыми, естественными и искусственными, обладают разной формой, цветом, размером и массой.

Вопрос: Ребята, как вы думаете, мы изучили все свойства тел?

Мы с вами сегодня не вспомнили ещё об одном свойстве. Как вы думаете, о каком свойстве мы не сказали? Это свойство тела всегда очень интересует врача. Когда мы заболевшие приходим на приём к врачу, то он всегда интересуется температурой тела заболевшего. Вы знаете, какая температура тела человека считается нормальной? (36,6 ºC) Температура измеряется в градусах по Цельсию (по фамилии шведского астронома и физика Андерса Цельсия).

Шкала Цельсия, температурная шкала, в которой 1 градус (1 °С) равен 1/100 разности температур кипения воды и таяния льда при атмосферном давлении, точка таяния льда принята за 0 °С, кипения воды — за 100 °С. Предложена в 1742 году А. Цельсием.

Как человеческое тело и другие тела обладают температурой. Например, какая может быть температура у кусочка льда? Нуль градусов или меньше. Для измерения температуры тела человека используют ртутный или электронный термометр (слайд № 9).

Все написанные на доске свойства являются неотъемлемыми признаками тела как научного понятия. Теперь с вами мы можем дать полное определение тела (слайд № 10).

Тело — объект природы или рукотворного мира, обладающий определенной формой, цветом, массой, размером, температурой.

В науке чаще используется понятие «физическое тело».

III. Закрепление материала

1. Дидактическая игра «Внимание — физическое тело!».

Учитель произносит различные слова, обозначающие тела и явления. Ребятам нужно хлопать, услышав название тела.

Слова: закат, радуга, дождь, дерево, извержение вулкана, книга, медведь, линейка, восход солнца, часы, шкаф, гром, мяч, молния, Солнце, землетрясение, лягушка.

2. Работа с художественным текстом «Василий Прекрасный».

Задача детей — выделить признаки кота Василия как физического тела (написана текст на листочках).

Кот Василий (для близких и родных просто Васяня) был очень упитанным и по форме напоминал пирамиду Хеопса, если сидел, и бочонок для меда, если стоял. От кончика носа до кончика хвоста в нем было 92 см. Его полосатая спина плавно переходила в оранжево-жёлтый живот.

Василий был ласковым, терпеливым, любвеобильным, чистоплотным, умел поднимать настроение и улучшать самочувствие хозяина. Славился он и тем, что только однажды поймал мышь. Но когда вес его перевалил за 7 кг, охотничьи инстинкты в нем уснули навсегда, и не стало для него занятия лучше, чем вздремнуть на руках хозяина. От спящего на руках кота исходит такое тепло и рождается такое умиление. Это потому, что нормальная кошачья температура +38-39,5 °С.

IV. Выставление оценок за урок.

V. Задание на дом. § 11 (нарисовать на альбомных листах разные по форме и размерам тела или придумать ребусы о телах, заполнить рабочую тетрадь при помощи листочков.)

Источник

Как повысить тестостерон в организме: естественные способы и препараты

Пик выработки тестостерона в организме мужчины приходится на период с 25 до 30 лет. Затем количество гормона начинает постепенно снижаться — на 1-2% каждый год. Но уровень тестостерона может уменьшаться не только по естественным причинам. На его содержание влияют стрессы, недостаток калорий и переедание, прием лекарств, перетренированность, а также болезни, недостаток сна и алкоголь.

Чтобы выяснить причину низкого тестостерона, запишитесь на прием к урологу, не занимайтесь самолечением!

В обоих случаях (и по естественным, и по другим причинам) мужчина может самостоятельно повысить естественный тестостерон. Для этого существуют простые и безопасные методы, относительно которых доказано, что они увеличивают выработку гормона. Далее подробно о том, что же делать для повышения тестостерона.

Ввести силовые тренировки

Один из первых и самых действенных способов повысить уровень тестостерона — это силовые тренировки, направленные на рост мышечной массы. Главное условие таких занятий — наличие отягощения. Тренировки проводятся с весом: штангами, гантелями, гирями, на тренажерах. Полезны такие упражнения, как приседания, жим, становая тяга.

Основные правила силовых тренировок для повышения тестостерона:

Важно! Если помимо пониженного тестостерона есть другие симптомы, например, боль в паху, физическая нагрузка запрещена до консультации с врачом.

Употреблять особые продукты и соблюдать калорийность

Следующий шаг к увеличению тестостерона — переход на рацион с нормальной калорийностью. Она должна быть слегка избыточной, поскольку низкокалорийная диета снижает активность ферментов семенников, которые выступают катализаторами выработки тестостерона.

Калорийность особенно важна, если у мужчины высокая физическая активность. Несмотря на положительное влияние спорта на выработку половых гормонов, он может столкнуться с обратным эффектом — снижением тестостерона. Это может быть связано с перетренированностью (повышает уровень кортизола) и недостатком калорий. В таком случае необходимо повысить калорийность рациона и уменьшить физические нагрузки.

Но с калорийностью важно не переусердствовать, поскольку набор жира ведет к тому, что активируется особый фермент — ароматаза, отвечающий за преобразование тестостерона в эстроген (женский половой гормон). Чтобы этого избежать, нужно употреблять больше продуктов, повышающих тестостерон:

Повысить количество цинка в рационе

Количество цинка в организме и уровень тестостерона напрямую связаны между собой. Если наблюдается дефицит этого микроэлемента, то выработка полового гормона замедляется. В таблице приведены продукты, повышающие тестостерон у мужчин путем увеличения уровня цинка в организме.

Вести регулярную половую жизнь

При оргазме в кровь выбрасываются определенные биохимически активные вещества, которые обеспечивают нормальную работу репродуктивной системы. Отсюда легко понять, что при регулярных сексуальных контактах тестостерон вырабатывается более активно. Это особенно важно для мужчин старше 40 лет. Понятие нормы очень субъективное, но урологами установлена частота не менее 2 половых актов в неделю.

Обеспечить качественный сон

Большая часть тестостерона вырабатывается во время сна. Если спать недостаточно, то выработка полового гормона замедляется. Если в течение 7 дней спать менее 5 часов, то концентрация андрогена снизится на 15-25%. Важно не только количество сна, но и время. Необходимо ложиться в 10-11 часов вечера. Для качественного сна в комнате должно быть темно, поэтому стоит выключать все источники света и плотно зашторивать окна.

Исключить стрессы и депрессии

Сильные переживания повышают уровень кортизола в организме. Это гормон стресса, который мешает выработке тестостерона. Все потому, что кортизол — один из его прямых антагонистов (действует противоположным образом). Уровень гормона стресса повышается при умственном перенапряжении и длительных стрессах, вызванных разными ситуациями.

Что делать при пониженном тестостероне

Если естественные способы не приводят к положительному результату, то на смену им приходят препараты, повышающие тестостерон у мужчин. Но их может назначить только врач после обследования и исключения серьезных заболеваний вроде рака простаты или аденомы простаты. Поэтому при подозрении на сниженный тестостерон необходимо сначала обратиться к специалисту. В клинике урологии имени И.М. Сеченова вы можете записаться на прием в удобное время. Для этого напишите нам в онлайн-чате, заполните форму записи или позвоните по любому из контактных номеров.

Источник

Свойства твёрдых тел в физике

Содержание:

Важнейшим тепловым свойством твёрдого тела является температура плавления — температура, при которой происходит переход в жидкое состояние. Другой важной характеристикой плавления является скрытая теплота плавления. В отличие от кристаллов, в аморфных твёрдых телах переход к жидкому состоянию с повышением температуры происходит постепенно.

На странице -> решение задач по физике собраны решения задач и заданий с решёнными примерами по всем темам физики.

Свойства твёрдых тел

Свойство твёрдого тела сопротивляться разрушению характеризуется прочностью. При разрушении в твёрдом теле появляются и распространяются трещины, которые в конце концов приводят к разлому. К механическим свойствам твёрдого тела принадлежит также его способность проводить звук, который является волной, переносящий локальную деформацию с одного места в другое.

Кристаллические и аморфные тела

Различают два рода твёрдых тел: кристаллические и аморфные. Оба эти рода тел существенно отличаются друг от друга по своим физическим свойствам.

1 Анизотропия — от греч. слов: анизос — неровный, тропос — поворот.

Покроем пластинку гипса и пластинку стекла тонким слоем воска или парафина и прикоснёмся к ним накалённой иглой (рис. 158). Мы увидим, что вокруг точки прикосновения О парафин расплавится, причём граница расплавленной площади на кристаллической пластинке гипса представляет собой эллипс (рис. 158, а), на стеклянной же пластинке — окружность (рис. 158, б).

Этот опыт показывает, что, в отличие от стекла, энергия в кристаллическом гипсе при его нагревании распространяется в разных направлениях неодинаково.

Существенным внешним признаком кристалла является его правильная геометрическая форма, причём характерным признаком кристаллической формы является одинаковость соответствующих углов между гранями кристаллов одного и того же вещества.

Примерами кристаллических тел являются кристаллы металлов, поваренной соли, медного купороса, кварца, квасцов и др. На рисунке 159 изображено семейство кристаллов горного хрусталя.

Если тело представляет собой один кристалл, то оно называется монокристаллом (монос — один).

Тело, состоящее из множества беспорядочно расположенных и сросшихся между собой мелких кристалликов, называется поликристаллическим (поли — много). Физические свойства у поликристаллического тела вследствие беспорядочного расположения кристалликов по всем направлениям одинаковы.

К числу поликристаллических тел относятся металлы. Можно иногда невооружённым глазом рассмотреть мелкие кристаллы в изломе сильно закалённой стали, чугуна, литой латуни. Кристаллическое строение некоторых других металлов можно обнаружить при помощи микроскопа. Но некоторые поликристаллические тела состоят из таких мелких кристалликов, которые нельзя увидеть даже при помощи микроскопа.

Рис. 158. При прикосновении нагретой иглой воск, покрывающий пластинку, расплавляется (а — пластинка кристаллическая, б — аморфная).

В отличие от кристаллических тел аморфные 1 тела обладают во всех направлениях одинаковыми физическими свойствами.

1 Аморфос (греч.) — не имеющий формы.

Рис. 159. Семейство кристаллов горного хрусталя.

Примерами аморфных веществ являются вар и стекло.

Кусок вара от удара молотком рассыпается на осколки, т. е. ведёт себя как хрупкое твёрдое тело, и вместе с тем обнаруживает свойства, присущие жидкостям. Твёрдые куски вара, например, медленно растекаются по горизонтальной поверхности; вар медленно вытекает из опрокинутой бочки. Куски вара, находясь в сосуде, постепенно растекаются, и вар принимает форму сосуда. Тяжёлое тело медленно утопает в варе, а лёгкие тела, помещённые под слой вара, с течением времени всплывают. По этим свойствам вар можно рассматривать как очень густую и вязкую жидкость.

Стекло обладает значительной прочностью и твёрдостью, т. е. свойствами, характерными для твёрдого тела, но по своей молекулярной структуре оно скорее может быть отнесено к жидкостям.

В настоящее время аморфные тела в виде различных пластмасс широко применяются в технике и в быту.

Бывают случаи, что одно и то же вещество может быть и в кристаллическом и в аморфном состоянии. Сахарный песок, например, имеет кристаллическую структуру. Тот же сахарный песок после расплавления застывает в прозрачный стекловидный леденец, являющийся уже аморфным веществом. С течением времени леденец «засахаривается» — покрывается корочкой кристаллического сахара.

Если расплавленную и нагретую немного выше 300° серу вылить в холодную воду, то получается мягкая аморфная сера, которая с течением времени переходит в кристаллическую. Обнаруживается с течением времени кристаллизация и в стекле, что можно заметить по образованию в некоторых местах стекла матовых пятен.

Из этих наблюдений можно сделать вывод, что аморфное состояние для твёрдого тела не является устойчивым. Во многих случаях аморфное тело постепенно переходит в кристаллическое.

Пространственные решётки

Исследования кристаллов при помощи рентгеновских лучей, начатые в 1912 г., доказали, что правильность форм кристаллов объясняется упорядоченным расположением атомов внутри кристалла.

Если соединить атомы кристалла прямыми линиями, то получится так называемая пространственная решётка. Отдельные атомы, составляющие кристаллы, находятся в узлах — точках пересечения линий, образующих решётку. Часто в узлах пространственной решётки находятся положительно или отрицательно заряженные атомы — ионы. На рисунке 160 изображена схема пространственной решётки поваренной соли. Каждый положительный ион Ка находится между отрицательными ионами Сl, и каждый отрицательный ион Сlнаходится между положительными ионами Na. Внутренние силы, заставляющие ионы Na и Сl держаться друг около друга, — это силы электрического притяжения.

Рис. 160. Пространственная решётка хлористого натрия.

Разнообразие встречающихся форм кристаллов объясняется различными формами пространственных решёток.

С перестройкой пространственной решётки изменяются и физические свойства вещества. Свойство вещества обладать несколькими кристаллическими состояниями называется полиморфизмом. Примером вещества, могущего быть в нескольких кристаллических состояниях, является углерод. При расположении атомов углерода, изображённом на рисунке 161а, мы имеем твёрдый алмаз. При расположении атомов цепочкой, образующей шестиугольник (рис. 161б), получается графит. Прочность графита значительно меньше, чем прочность алмаза. В графите один слой цепочек легко смещается относительно другого, чем объясняется применение графита как смазывающего материала.

Под влиянием внешних воздействий (давления, температуры) может происходить перестройка кристаллической структуры вещества. Например, мелкие кристаллы железа и стали могут переходить в крупные. Особенно быстро происходит этот процесс при сотрясениях, которым подвергаются железнодорожные рельсы, мосты и вагонные оси. Размеры же кристалликов существенно влияют на прочность вещества. Сталь, например, состоящая из мелких кристалликов, обладает большей прочностью, чем сталь, состоящая из крупных кристалликов.

Рис. 161а. Пространственная решётка алмаза.

Рис. 161б. Пространственная решётка графита.

Деформация твёрдых тел

Между молекулами или атомами твёрдого тела так же, как и между молекулами жидкости, кроме сил притяжения, могут действовать и отталкивательные силы. При сближении частиц увеличиваются силы отталкивания, и тем значительнее, чем сильнее мы сближаем их друг с другом. При растяжении тела получают перевес силы притяжения, действующие между частицами. Механическая модель, изображённая на рисунке 162, иллюстрирует характер взаимодействия частиц кристалла, расположенных в узлах кристаллической решётки и колеблющихся около положений равновесия.

Всякое внешнее, например механическое, воздействие на кристалл нарушает равновесное состояние кристаллической решётки. Оно создаёт внутри кристалла перемещение частиц, что приводит к изменению формы или объёма тела, т. е. к деформации.

Рассмотрим, от чего зависит величина деформации тела. Под величиной деформации надо понимать величину растяжения, сжатия, прогиба и т. д. Обратимся к опыту.

Установим тонкую деревянную линейку концами на две опоры. Линейка лежит горизонтально, она почти прямолинейна. Положим теперь на середину линейки какой-нибудь груз. Линейка прогнётся, и с увеличением нагрузки этот прогиб будет увеличиваться.

Подвешивая к резиновому жгутику различные грузы, мы обнаружим, что чем больше вес груза, тем сильнее растягивается жгутик.

Следовательно, величина деформации зависит от величины приложенной силы.

Проделав описанный выше опыт с более толстой линейкой, мы заметим, что при одинаковой нагрузке деформация будет меньше. Точно так же толстый резиновый жгутик под действием какого-нибудь груза растягивается меньше, чем тонкий жгутик.

Установим опять тонкую линейку на две опоры и будем класть на неё груз в различных местах; мы заметим, что величина деформации будет различна.

Если вместо деревянной линейки взять такого же размера линейку из другого материала и проделать с ней описанные выше опыты, то можно показать, что деформация зависит от материала, из которого изготовлено тело.

Рис. 162. Механическая модель взаимодействия частиц кристаллической решётки, расположенных в узлах пространственной решётки и колеблющихся около положений равновесия.

Таким образом, опыты показывают, что величина деформации зависит от размеров тела, места приложения силы, её направления и материала, из которого изготовлено тело.

Упругость и пластичность

Мы видели, что от материала, из которого изготовлено тело, существенно зависит величина его деформации.

К числу чрезвычайно важных свойств материала относятся упругость и пластичность. Что это за свойства материала и какую роль играют они в технике? Обратимся снова к опыту. Изогнём слегка деревянную линейку и отпустим её. Мы увидим, что она распрямится и примет прежнюю форму. Значит, под действием силы линейка деформировалась, а по прекращении действия силы деформация линейки исчезла полностью.

Деформации, исчезающие в теле после прекращения действия сил, называются упругими деформациями.

Свойство же материала, состоящее в том, что тела, изготовленные из него, под действием сил деформируются, а при исчезновении сил восстанавливают свою форму и объём, называется упругостью.

Повторим опыт с деревянной линейкой, но на этот раз согнём её сильнее; мы увидим, что линейка разогнётся, но окончательно не выпрямится. Деформация в ней полностью не исчезнет. Деформация, остающаяся в теле после прекращения действия сил, называется остаточной деформацией.

Остаточная деформация характеризует свойство материала, называемое пластичностью.

Упругость и пластичность присущи всем твёрдым телам.

Если нагружать стальную пружину, то можно обнаружить, что при слабых растяжениях она полностью восстанавливает размер и форму; если же её растянуть сильно, то в ней обнаруживаются остаточные деформации. Сильно сжатый резиновый цилиндр, например, не возвращается к прежним размерам и сохраняет бочкообразную форму.

С другой стороны, если линейку, сделанную из свинца, слегка согнуть и отпустить, то она выпрямляется. Слегка растянутая свинцовая спираль пружинит. В этих случаях свинец проявляет упругие свойства.

Поэтому разделение материалов на упругие и пластичные условно. Однако на практике такое разделение проводится.

Величина, измеряемая отношением нагрузки на брусок к площади его поперечного сечения, называется напряжением и выражается в или

Наименьшее напряжение, после снятия которого в образце появляются первые признаки остаточной (пластической) деформации, называется пределом упругости.

У тел одинаковой формы и размера, но изготовленных из различных материалов, предел упругости различный. Ниже в таблице показаны пределы упругости некоторых материалов.

Возникающая при деформации упругого тела сила называется силой упругости. Сила упругости противодействует внешней силе. Чем больше деформация тела, тем больше сила упругости. Сила упругости исчезает, как только исчезает возникшая в упругом теле деформация.

Виды деформаций

Упругие деформации, возникающие в телах, могут быть разнообразными.

Различают четыре основных вида деформаций: растяжение (или сжатие), сдвиг, кручение и изгиб.

Рассмотрим каждый из них в отдельности.

Растяжение

Приложим к прямому стержню АВ силы Р, равные по величине и направленные по оси стержня в противоположные стороны (рис. 163, а). Эти силы растянут стержень. Можно один конец стержня А закрепить неподвижно, а к другому концу В приложить силу (рис. 163, б), результат будет такой же, как и в первом случае.

Чем больше величина силы Р, приложенной к стержню, тем больше его растяжение.

Разграфим резиновую полоску на квадратики (рис. 164, а) и растянем её так, как показано на рисунке 161, б. Мы заметим, что одновременно с удлинением полоска сокращается в поперечных размерах. Этот опыт показывает, что при продольном растяжении увеличивается длина тела, но сокращаются поперечные размеры его.

Рис. 163. Под действием сил стержень растягивается.

Рис. 164. При растяжении квадратные ячейки, начерченные на резиновой полоске (а), превращаются в прямоугольники (б).

Рис. 165. Стержень под действием сил сжимается.

Растяжение испытывают тросы, канаты, цепи в подъёмных транспортных устройствах и мостах, стяжки между вагонами в поездах, балки строительных ферм и т. д.

Если на стержень AВ будут действовать силы, направленные навстречу друг другу (рис. 165), то он сожмётся. Длина его при этом уменьшится, а поперечные размеры увеличатся.

Нетрудно видеть, что деформация сжатия противоположна деформации растяжения.

Сжатие испытывают столбы, колонны, стены, фундаменты домов, стержни строительных ферм и др.

Сдвиг

Тело может подвергаться действию сил, стремящихся сместить одну часть его относительно другой так, как показано на рисунке 166; испытываемая телом деформация в этом случае называется сдвигом. Представление о такого рода деформации даёт сдвиг листов книги, если, положив книгу на стол, перемещать верхнюю часть её параллельно основанию, которое остаётся неподвижным. Все листы книги смещаются друг относительно друга.

Рис. 166. Деформация сдвига.

Если на брусок действуют силы, направленные навстречу друг другу и сдвигающие одну часть бруска относительно другой так, как показано на рисунке 167, то при достаточной величине этих сил мы наблюдаем срезание. Это явление наблюдается при резании ножницами.
Деформации сдвига подвергаются, например, болты и заклёпки, соединяющие отдельные металлические конструкции.

Кручение

Если на стержень, один конец которого закреплён, действует пара сил, лежащая в плоскости, перпендикулярной оси стержня, то получается деформация, которая называется кручением. При кручении отдельные слои тела остаются параллельными между собой, но повёрнутыми друг относительно друга (рис. 168). Деформация кручения возникает, например, при завинчивании гаек (рис. 169). Деформации кручения подвергаются валы машин, оси и др.

Рис. 168. При кручении слои тела поворачиваются друг относительно друга.

Рис. 169. Пример деформации кручения.

Изгиб

Брус, один конец которого закреплён, а на другой действует нагрузка, изгибается. Прямолинейная ось бруса превращается в криволинейную. Наибольший прогиб в направлении, перпендикулярном оси, называется стрелой прогиба. Прогибается брус и в случае, когда он подпёрт с обоих концов (рис. 170). Если вдоль бруса провести параллельные линии, то при изгибе бруса на вогнутой стороне его линии укорачиваются, а на выпуклой стороне удлиняются. Это наглядно показано на рисунке 171. Между крайними слоями находится слой, который изменил только свою форму, но длина его осталась без изменения. Этот слой называется нейтральным слоем. Вблизи от нейтрального слоя вещество почти не испытывает деформации растяжения или сжатия. Поэтому сплошные брусья, подвергающиеся изгибу, заменяют трубами, балки делают тавровыми (в виде буквы Т) или двутавровыми (рис. 172). На рисунке 172 справа показано сечение рельса.

Рис. 170. При изгибе вогнутая сторона бруса сжимается, выпуклая растягивается.

Двутавровая балка представляет собой в сущности широкую балку прямоугольного сечения, из которой удалена часть среднего слоя, которая, как мы видели, не подвергается деформации. Поэтому применение таких балок в строительном деле даёт большую экономию материала без ухудшения строительных качеств балок.

Рис. 171. Расположение спиц показывает, что одна сторона изгибаемого тела растянута, а другая сжата.

Рис. 172. Слева — сечение двутавровой балки, справа — сечение рельса.

Применяя вместо стержней трубы, не только экономят материал, но и облегчают вес многих установок и машин.

Кости животных имеют, как известно, трубчатое строение, что уменьшает их вес.

В большинстве случаев наблюдаемая на практике деформация представляет собой сочетание нескольких основных деформаций одновременно.

Можно показать, что любой вид деформации можно свести к двум наиболее простым: растяжению (или сжатию) и сдвигу. В случае деформации растяжения силы, действующие на тело, направлены перпендикулярно площади сечения тела, а в случае сдвига они действуют по касательной к этой площади.

Твёрдость

Под твёрдостью материала понимают его способность оказывать сопротивление проникновению в него другого, более твёрдого тела.

Твёрдость приходится учитывать при использовании материала в различного рода сооружениях, а также при изготовлении режущих инструментов — свёрл, резцов, фрез и др.

Рис. 172а. К определению твёрдости.

Для определения твёрдости металлов существует несколько способов. Одним из наиболее распространённых является способ, заключающийся во вдавливании стального закалённого шарика в испытуемый металл.

Если вдавливать в испытуемый металл силой Р стальной закалённый шарик диаметром D, как показано на рисунке 172а, то шарик проникнет на некоторую глубину h в металл и оставит в нём отпечаток в виде круглой луночки диаметром d.

Величина, характеризующая твёрдость, обозначается через и вычисляется по формуле:

Ниже в таблице даны величины, характеризующие твёрдость некоторых металлов.

Твёрдость кристаллических тел в значительной степени зависит от состояния их поверхности. На поверхности кристаллов обычно имеются небольшие трещины, которые уменьшают твёрдость кристалла.

Исследованиями установлено, что при смачивании кристалла растворами некоторых веществ последние попадают в эти трещины, способствуют их росту и тем самым уменьшают твёрдость кристалла. Явление понижения твёрдости кристалла при его смачивании используется в бурении твёрдых пород.

Закон Гука

Ко всем видам деформаций, рассмотренным нами в § 102, может быть применён один общий закон, открытый английским учёным Гуком (1635—1703). Закон Гука формулируется следующим образом:

В пределах упругости величина деформации пропорциональна величине деформирующей силы.

Так, величина растяжения или сжатия стержня будет тем больше, чем больше растягивающая или сжимающая сила; величина прогиба балки будет пропорциональна нагрузке на балку, угол сдвига пропорционален величине действующей на тело силы и т. д.

Рассмотрим подробнее применение закона Гука к деформации растяжения.

На рисунке 172б изображена вертикально подвешенная проволока, свободный конец которой нагружается грузом Р.

Пусть — первоначальная длина проволоки, — длина её после деформации.

Величина называется абсолютным удлинением проволоки при растяжении. При данной нагрузке абсолютное удлинение зависит от первоначальной длины проволоки. Чем больше эта длина, тем больше и абсолютное удлинение. Следовательно, абсолютное удлинение не может служить мерой деформации вещества. Поэтому за меру деформации принимается удлинение, отнесённое к единице первоначальной длины проволоки, т. е.

величина Эта величина называется относительным удлинением.

Рис. 172б. К закону Гука.

Обозначим площадь поперечного сечения проволоки буквой S. Разделив нагрузку Р на площадь сечения проволоки S, мы получим величину напряжения, которую обозначим буквой

Итак, (1)

Закон Гука для деформации растяжения напишется так: относительное удлинение в пределах упругости пропорционально напряжению, т. е.

(2)

Величина называется коэффициентом линейного растяжения.

При т. е. коэффициент линейного растяжения численно равен относительному удлинению при напряжении., равном единице.

Подставим в формулу (2) вместо его выражение, взятое из равенства (1):

В технической литературе принято вести расчёты не по коэффициенту растяжения а по величине эту величину называют модулем упругости.

Какой физический смысл имеет эта величина? Рассмотрим конкретный пример.

Проволока длиной 5 м и сечением 2 мм 2 при нагрузке 40 кГ удлинилась на 5 мм. Определить коэффициент растяжения и модуль упругости проволоки.

По формуле находим:

Решая пример, мы определили, что длина проволоки сечением 1 мм 2 при нагрузке 1 кГ увеличивается на долю первоначальной длины. При нагрузке же длина проволоки увеличилась бы вдвое. Значит, модуль упругости обозначает напряжение, которое надо приложить к проволоке, чтобы удвоить её длину. Практически такая нагрузка совершенно невозможна, так как все материалы, кроме резины, разорвутся гораздо раньше, чем получат такое удлинение.

Значения модуля упругости некоторых материалов приведены в таблице.

Прочность. Запас прочности

Первое требование, предъявляемое ко всякому сооружению или изделию, — это прочность. Прочностью материала называется его свойство сопротивляться действию внешних сил, не разрушаясь.

Напряжение, при котором материал, подвергнутый деформации, разрушается, называется пределом прочности.

Для некоторых материалов предел прочности указан ниже в таблице.

Вполне очевидно, что в различных сооружениях, во избежание поломок и разрушений, нельзя нагружать детали так, чтобы напряжение было равно или близко к пределу прочности. Практически допускаемое напряжение выбирают так, чтобы оно составило лишь некоторую часть от предела прочности.

Число, показывающее, во сколько раз предел прочности больше допускаемого напряжения, называется запасом прочности или коэффициентом безопасности.

Установлением запаса прочности для различного рода сооружений ведают особые государственные органы, решающие эту важную задачу, пользуясь как техническими, так и экономическими данными. Для стали, например, берут запас прочности в среднем от 2,5 до 4, для железа от 4 до 5, для чугуна от 6 до 8, для дерева от 8 до 10.

Величина запаса прочности выбирается в зависимости от рода сооружения и от характера испытываемой им нагрузки. При спокойных нагрузках запас прочности меньше, чем при переменных нагрузках; он особенно велик в сооружениях, испытывающих различного рода удары.

Значение свойств материалов для их обработки и применения

Металлы обладают более высокой прочностью по сравнению с другими материалами, поэтому детали машин, механизмов и многих сооружений обычно изготовляются из металлов.

Для изготовления режущих и других инструментов применяются специальные инструментальные стали. Измерительные инструменты, например, изготовляются из особых сортов стали, содержащих примеси хрома, никеля, молибдена, марганца. После закалки сталь такого состава обладает повышенной прочностью.

Рис. 173а. Схема штамповки.

Большое значение в машиностроении имеют упругие свойства материалов. При работе машины её детали подвергаются действию различных нагрузок и деформируются под их действием. Очевидно, что эти деформации не должны быть остаточными, иначе нарушилась бы работа машин: одни детали машины укоротились бы, другие, наоборот, удлинились, третьи изогнулись и т. д. В конце концов машина перестала бы работать.

Рис. 173б. Схема волочения.

Рис. 173в. Схема прокатки.

Пластические свойства металлов широко используются при их обработке давлением: при прокатке, волочении, штамповке, ковке и т. д.

Ковкой называется обработка металла давлением, в результате которой изменяется как внешняя форма, так и структура металла.

Существуют два вида ковки: свободная ковка и ковка в штампах.

Штамповка деталей обычно производится с помощью стальных штампов на прессах и молотах (механических или гидравлических). Лист металла, например, кладут между двумя половинками формы: штампом и матрицей (рис. 173а). Гидравлический или другой специальный пресс давит на штамп. Металлический лист изгибается и в результате остаточной деформации принимает необходимую форму.

Подвергать штамповке можно различные материалы: сталь, латунь, алюминий, пластмассу, картон и др. Штамповкой изготовляют посуду, части корпусов автомобилей и самолётов, детали для часовых механизмов и др.

Волочением называется такой вид обработки давлением, при котором обрабатываемый металл проволакивается (протягивается) через ряд постепенно уменьшающихся отверстий в металлических пластинах (волочильных досках). Отверстия (глазки) имеют форму конусов, сделанных в твёрдой стали.

Волочением изготовляются различные сорта проволоки, трубы малого диаметра, прутковый материал различного профиля с точными размерами и др.

На рисунке 173б изображена схема волочения: проволока протягивается через коническое отверстие в плите.

Прокатка производится для получения нужного профиля металла. Путём прокатки из слитков стали, а также из цветных металлов и сплавов получают листы, сортовые и фасонные профили и т. д.

Продукцией прокатки являются или готовые изделия (рельсы, балки и др.), или заготовки для последующей обработки ковкой, штамповкой, волочением или резанием.

Процесс прокатки заключается в том, что нагретый слиток или заготовка — болванка (рис. 173в) — пропускается между вращающимися валками прокатного стана. При этом происходит изменение формы заготовки, а также уменьшение поперечного сечения и увеличение её длины до заданного размера.

Металл, нагретый до высокой температуры, обычно обладает большой пластичностью. С понижением температуры металл становится менее пластичным и с трудом поддаётся деформации. В связи с этим стремятся прокатывать металлы и сплавы в горячем виде. Холодная прокатка применяется лишь для получения тонких изделий (металлические ленты, листы для пружин и др.).

Чрезвычайно ценным строительным материалом является дерево, обладающее малым удельным весом и высокой прочностью. Недостатком деревянных сооружений является их недолговечность, а во многих случаях громоздкость.

За последние годы разнообразные применения получили искусственные материалы — пластические массы (пластмассы). Для их изготовления применяют различные смолы. Так, например, небьющееся стекло — плексиглас — изготовляется из смолы, для производства которой используются ацетон, метиловый спирт и синильная кислота.

Изготовление изделий из пластмасс производится главным образом прессованием, применяют также литьё.

Прочность на разрыв у пластмасс порядка 300—600 на сжатие — в два-три раза больше.

Свойства твердых тел и их определение

Свойством тел, изготовленных из твёрдого вещества, является их деформация. Деформация — изменение формы или размера тела под воздействием другого тела. Эластичностью называют возможность тела после деформации возвращать себе первоначальную форму.

Важнейшим тепловым свойством твёрдого тела является температура плавления — температура, при которой происходит переход в жидкое состояние. Другой важной характеристикой плавления является скрытая теплота плавления. В отличие от кристаллов, в аморфных твёрдых телах переход к жидкому состоянию с повышением температуры происходит постепенно.

Характеристика твердого состояния вещества. Кристаллы

Напомним, что обычно вещество называют твердым, если оно сохраняет свою форму и свой объем. Однако это лишь внешние признаки, характеризующие твердое состояние вещества. С физической точки зрения наличие этих признаков не дает возможности четко разграничить твердое и жидкое состояния вещества. По этим признакам, например, аморфные вещества являются твердыми, хотя по внутреннему строению они являются жидкостями.

При изучении твердых веществ было обнаружено, что многие твердые тела в природе имеют гладкие плоские поверхности, расположенные под определенными углами, а иногда и форму правильных многогранников. Такие твердые тела называют монокристаллами (от греческого «моно» — один). Чаще всего монокристаллы имеют очень маленькие размеры, хотя, например, монокристаллы горного хрусталя иногда бывают величиной с человеческий рост.

Изучение внутреннего строения кристаллов с помощью рентгеновских лучей позволило установить, что частицы в кристаллах (молекулы, атомы и ионы) имеют правильное расположение, т. е. образуют кристаллическую (пространственную) решетку. Точки в кристаллической решетке, соответствующие наиболее устойчивому положению равновесия частиц твердого тела, называются узлами решетки.

Узлы решетки имеют правильное расположение, которое периодически повторяется внутри кристалла. Это означает, что если на какой-либо прямой расстояние между ближайшими узлами равно а (рис. 11.1), то на расстоянии от первого узла на этой прямой в кристаллической решетке будет находиться такой же узел. Расположение узлов в кристаллической решетке повторяется вдоль любой прямой (I—IV на рис. 11.1).

Правильное расположение частиц в узлах решетки кристалла называют дальним порядком в расположении частиц.

Итак, в физике под твердыми телами подразумевают только такие вещества, у которых имеется кристаллическое строение. Иначе говоря, у твердого тела обязательно должен быть дальний порядок в расположении его частиц.

Анизотропия кристаллов

Пространственная решетка и ее дефекты. Правильное расположение частиц в решетке кристаллов является причиной анизотропии*) кристаллов, которая заключается в зависимости каких-либо свойств кристаллов от направления.

*) Изотропный — одинаковый по всем направлениям; анизотропный — неодинаковый по разным направлениям.

У многих кристаллов очень ярко выражена зависимость механической прочности кристалла от-направления. Например, cлюда легко расщепляется на пластинки, каменная соль раскалывается на кубики и т. д. Особенно заметна эта зависимость у графита. В каждом слое кристалла графита атомы углерода расположены в вершинах правильных шестиугольников (рис. 11.2), а расстояние между соседними слоями в 2,5 раза больше, чем расстояние между ближайшими атомами углерода в каждом слое.

Поэтому слои в кристалле графита легко сдвигаются относительно друг друга. Соскальзыванием слоев графита мы пользуемся, когда пишем карандашом. Это же свойство графита позволяет применять его как смазочный материал (особенно часто он используется при высоких температурах). Отметим, что плоскости, по которым наиболее легко раскалывается кристаллическое вещество, называются плоскостями спайности.

Если на поверхность кристалла кварца нанести слой воска и коснуться концом сильно нагретой проволоки середины грани кристалла (рис. 11.3, а), то воск расплавляется по эллипсу. Значит, теплопроводность кристалла кварца зависит от направления. Опыты показывают зависимость от направления и многих других свойств кристаллов.

Отметим, что в кристаллах часто можно обнаружить и такие направления, по которым те или иные свойства оказываются одинаковыми. Срежем верхнюю половину кристалла, изображенного на рис. 11.3, а, и повторим предыдущий опыт, коснувшись проволочкой центра среза. При этом воск расплавляется по окружности (рис. 11.3, б).

Напомним еще раз, что анизотропией обладают только монокристаллы. Большинство твердых веществ имеет поликристаллическое строение (от греческого «поли» — много), т. е. состоит из множества очень мелких кристалликов, иногда различимых только в микроскоп. Поскольку эти кристаллики относительно друг друга расположены хаотически, твердое тело в целом является изотропным, т. е. имеет одинаковые свойства по всем направлениям, хотя каждый отдельный кристаллик обладает анизотропией. Аморфные тела тоже изотропны, так как у них нет пространственной решетки. Различие между поликристаллическими и аморфными телами в этом отношении заключается в том, что у поликристаллических тел всегда можно выделить достаточно малую часть тела, в которой обнаружится анизотропия, а аморфные вещества изотропны при любых размерах тела или его части.

Опыт показал, что идеального дальнего порядка в расположении частиц твердого вещества на практике никогда не получается. Любые отступления от идеального порядка в кристалле называют дефектами пространственной решетки.

Одним из важнейших дефектов решетки является нарушение правильного расположения частиц кристалла в каждый момент времени, обусловленное тепловым движением этих частиц. Действительно, поскольку частицы непрерывно колеблются, узлы определяют лишь среднее положение каждой частицы.

Еще одним важным дефектом является нарушение в строении самой решетки, называемое дислокацией (рис. 11.4). Часто встречается дефект, заключающийся в отсутствии частиц в отдельных узлах решетки (вакансия) или в смещении частиц в промежуток между узлами. Встречающимся видом дефекта кристаллической решетки являются и чужеродные атомы в отдельных узлах решетки (рис. 11.5) или между узлами.

Дефекты решетки в кристаллах сильно влияют на многие свойства твердых тел, например на прочность, пластичность, электропроводность и т. д.

Виды кристаллических структур

Различные типы кристаллов и возможное расположение узлов в пространственной решетке изучает кристаллография. В физике кристаллические структуры рассматривают не с точки зрения их геометрии, а по характеру сил, действующих между частицами кристалла, т. е. по типу связей между частицами. По характеру сил, которые действуют между частицами, находящимися в узлах решетки кристалла, различают четыре типичные кристаллические структуры- ионную, атомную, молекулярную и металлическую. Выясним, в чем заключается сущность различия между этими структурами.

Разноименно заряженные ионы в ионной решетке расположены ближе друг к другу, чем одноименно заряженные, поэтому силы притяжения между разноименными ионами преобладают над силами отталкивания одноименных ионов. Этим и обусловливается значительная прочность кристаллов с ионной решеткой.

При плавлении веществ с ионной кристаллической решеткой из узлов решетки в расплав переходят ионы, которые становятся подвижными носителями зарядов. Поэтому такие расплавы являются хорошими проводниками электрического тока. Это справедливо и для водных растворов кристаллических веществ с данной решеткой. Например, раствор поваренной соли в воде является хорошим проводником электрического тока.

Атомная кристаллическая структура характеризуется наличием нейтральных атомов в узлах решетки, между которыми имеется ковалентная связь. Ковалентной называется такая связь, при которой каждые два соседних атома удерживаются рядом силами притяжения, возникающими при взаимном обмене двумя валентными электронами между этими атомами.

Здесь надо иметь в виду следующее. Современный уровень физики позволяет рассчитать вероятность пребывания электрона в той или иной области пространства, занятого атомом. Эту область пространства можно изобразить в виде электронного облака, которое гуще там, где электрон чаще бывает, т. е. где больше вероятность пребывания электрона (рис. 11.7, а).

Электронные облака валентных электронов двух атомов, образующих молекулу с ковалентной связью, перекрываются. Это означает, что оба валентных электрона (по одному от каждого атома) обобществляются, т. е. принадлежат обоим атомам одновременно, и большую часть времени проводят между атомами, связывая их в молекулу (рис. 11.7, б). Примером такого рода молекул являются молекулы и т. п.

Ковалентная связь также» соединяет в молекулы и разные атомы: и т.д.

Очень многие твердые вещества имеют атомную кристаллическую структуру. На рис. 11.8 показана решетка алмаза и упаковка атомов в ней.

В этой решетке каждый атом образует ковалентные связи с четырьмя соседними атомами. Германий и кремний тоже имеют решетку типа алмаза. Ковалентная связь создает

весьма прочные кристаллы. Поэтому такие вещества обладают большой механической прочностью и плавятся лишь при высоких температурах.

Молекулярная кристаллическая структура отличается пространственной решеткой, в узлах которой находятся нейтральные молекулы вещества. Силами, удерживающими молекулы в узлах этой решетки, являются силы межмолекулярного взаимодействия. На рис. 11.9 показана кристаллическая решетка твердой двуокиси углерода («сухого льда»), в узлах которой находятся молекулы (сами-то молекулы образованы ковалентными связями).

Силы межмолекулярного взаимодействия сравнительно слабые, поэтому твердые вещества с молекулярной решеткой легко разрушаются при механическом воздействии и имеют низкую температуру плавления. Примерами веществ с молекулярной пространственной решеткой являются лед, нафталин, твердый азот и большинство органических соединений.

Металлическая кристаллическая структура (рис. 11.10) отличается наличием в узлах решетки положительно заряженных ионов металла.

У атомов всех металлов валентные электроны, т. е. наиболее удаленные от ядра атома, слабо связаны с атомами. Электронные облака таких периферийных электронов перекрывают сразу много атомов в кристаллической решетке металла. Это означает, что валентные электроны в кристаллической решетке металла не могут принадлежать одному и даже двум атомам, а обобществляются сразу многими атомами. Такие электроны практически могут беспрепятственно двигаться между атомами.

Таким образом, каждый атом в твердом металле теряет свои периферийные электроны, и атомы превращаются в положительно заряженные ионы. Оторвавшиеся от них электроны движутся между ионами по всему объему кристалла и являются тем «цементом», который удерживает ионы в узлах решетки и придает большую прочность металлу.

В первом приближении хаотическое движение свободных электронов в металле можно считать подобным движению молекул идеального газа. Поэтому совокупность свободных электронов в металле иногда называют электронным газом и при расчетах применяют к нему формулы, выведенные для идеального газа. (Рассчитайте таким путем среднюю скорость теплового движения электронов в металле при 0°С.) Существованием электронного газа в металлах объясняются как высокая теплопроводность, так и высокая электропроводность всех металлов.

Виды деформаций

Изменение формы или объема тела под действием каких-либо причин называется деформацией. Выясним, какие виды деформаций встречаются на практике при механических воздействиях на твердые тела.

Если к торцам стержня приложить силы и , направленные вдоль его оси в противоположные стороны, то он будет или растягиваться, или сжиматься. Увеличение длины тела под действием сил, растягивающих его в одном направлении, называется деформацией продольного растяжения (рис. 11.11, а). Уменьшение длины тела под действием сил, сжимающих его в одном направлении, называется деформацией продольного сжатия (рис. 11.11,6).

Отметим, что при этих деформациях одновременно происходит небольшое изменение площади поперечного сечения тела.

Накачивая воздухом резиновую камеру, мы видим, что ее размеры увеличиваются по всем направлениям. Опустив надутую резиновую камеру в воду, можно заметить, что она сжимается по всем направлениям (рис. 11.12). Увеличение объема тела под действием сил, растягивающих его по всем направлениям, называется деформацией всестороннего растяжения.

Уменьшение объема тела под действием сил, сжимающих его по всем направлениям, называется деформацией всестороннего сжатия.

Если сжимать с двух концов стальную линейку, то она будет изгибаться (рис. 11.14). Изгиб стержня при продольном сжатии называется деформацией продольного изгиба.

Прикладывая к торцам стержня две пары сил, поворачивающих эти торцы в противоположные стороны (рис. 11.15), можно обнаружить скручивание стержня.

При этом происходит поворот верхних слоев стержня относительно нижних. Поворот параллельных слоев тел относительно друг друга под действием двух пар сил называется деформацией кручения.

Закрепим брусок и приложим к нему силу, стремящуюся его сдвинуть (рис. 11.16). В месте закрепления бруска возникает такая же по величине и обратная по направлению сила . Действие этих сил вызовет перекос бруска на некоторый угол . При этом верхние слои бруска сдвигаются относительно нижних. Сдвиг параллельных слоев тела относительно друг друга под действием сил, параллельных этим слоям, называется деформацией сдвига.

Каждая из описанных выше деформаций может быть большой или маленькой. Величину любой из них можно оценивать абсолютной деформацией . Абсолютной деформацией называется числовое изменение какого-либо размера тела под действием сил. Например, при одностороннем растяжении (сжатии) тела абсолютной деформацией является изменение длины тела (рис. 11.11), при всестороннем растяжении (сжатии) — изменение объема и т. д.

Однако более наглядной оценкой изменения объема или формы тела под действием приложенных сил является относительная деформация (греч. «эпсилон»). Относительной деформацией называется число, показывающее, какую часть от первоначального размера тела а составляет абсолютная деформация :

Например, при одностороннем растяжении (сжатии) получим

При сдвиге относительной деформацией служит (Почему?)

Механическое напряжение

Выделим мысленно в деформированном стержне, изображенном на рис. 11.11, а, тонкий слой, перпендикулярный оси стержня (рис. 11.17).

Он разделит стержень на две части. Поскольку все части стержня находятся в равновесии, верхняя часть действует на выделенный слой с силой равной (если пренебречь весом стержня), а нижняя часть — с силой , равной . Эти силы, возникающие внутри деформируемого тела, называют внутренними силами. Они вызывают деформацию каждого элемента тела (в нашем примере — растяжение).

Если стержень однородный и внешние силы и действуют по оси стержня, то внутренние силы и распределены по площади поперечного сечения равномерно.

Величина, характеризующая действие внутренних сил в деформированном твердом теле, называется механическим напряжением. Механическое напряжение измеряется внутренней силой, действующей на единицу площади сечения деформированного тела:

Если внутренняя сила распределена по сечению неравномерно, то в (11.4) вместо надо взять достаточно малую площадку , чтобы в ее пределах внутреннюю силу можно было считать постоянной.

Выведем единицу механического напряжения в СИ:

В СИ за единицу о принимается такое механическое напряжение в материале, при котором на площадь сечения в 1м 2 действует Внутренняя сила в 1 Н.

Если внутренняя сила действует перпендикулярно сечению, то напряжение называется нормальным (например, при деформации продольного растяжения или сжатия). Если же эта сила действует параллельно сечению, то напряжение называется касательным (при деформации сдвига, см. рис. 11.16). К этим двум видам всегда можно свести напряжение в любой точке деформируемого тела, поскольку силу, действующую на выбранную площадку , можно разложить на две составляющие — перпендикулярную и касательную к площадке.

Упругость, пластичность, хрупкость и твердость

При любом виде деформации в твердом теле происходит смещение частиц, из которых оно состоит, относительно друг друга. Это вызывает возникновение в материале сил, препятствующих деформации. Эти силы, называемые силами упругости, действуют как внутри деформированного тела, между его частями, так и на другие тела, вызвавшие его деформацию. Они стремятся восстановить прежнюю форму и объем деформированного тела. Свойство деформированных тел принимать свою первоначальную форму и свой объем после прекращения действия внешних сил называется упругостью. Деформация тела, которая исчезает после снятия внешних нагрузок на это тело, называется упругой деформацией.

Опыт показывает, что тело можно деформировать настолько, что оно не восстановит свою прежнюю форму, когда внешние воздействия на него исчезнут. Свойство тел сохранять деформацию после снятия внешних нагрузок называют пластичностью. Остаточная деформация тела, которая сохраняется после снятия внешних нагрузок на тело, называется пластической деформацией.

Упругость (пластичность) тел в основном определяется материалом, из которого они сделаны. Например, сталь и резина упруги, а медь и воск пластичны. Деление материалов на упругие и пластичные условно, так как каждый материал в большинстве случаев обладает одновременно и пластичностью, и упругостью. Например, стальную пружину можно растянуть так, что она уже не сожмется. С другой стороны, медная спираль при небольших растяжениях пружинит (т. е. сжимается, если ее отпустить). Опыт показывает, что обычно при постепенном увеличении нагрузок на материал в теле сначала возникают упругие деформации, а затем появляются пластические деформации.

Кроме того, свойства материала сильно зависят от внешних условий. Например, обычно пластичный свинец при низких температурах становится упругим, а упругая сталь при очень больших давлениях или высоких температурах становится пластичной.

Важными механическими свойствами материалов, которые приходится учитывать в машиностроении, являются хрупкость и твердость.

На практике встречаются материалы, которые при относительно небольших нагрузках упруго деформируются, а при увеличении внешней нагрузки разрушаются прежде, чем у них появится остаточная деформация. Такие материалы называются хрупкими (например, стекло, кирпич). Хрупкие материалы очень чувствительны к ударной нагрузке. При резком ударе хрупкие тела сравнительно легко разрушаются. Твердость материала можно определить различными способами. Обычно более твердым считают тот материал, который оставляет царапины на поверхности другого материала. Наиболее твердым материалом является алмаз. В технике твердость материала определяют вдавливанием в его поверхность алмазного конуса или стального шара (рис. 11.18).

Чем меньше войдет конус в материал при определенной силе вдавливания, тем тверже этот материал.

Твердость материала существенно влияет на величину трения качения, поэтому шариковые подшипники делают из твердой стали. При малой площади соприкосновения твердость материала имеет значение и для трения скольжения, например, опоры для осей в часах делают из твердых материалов — рубина и агата.

Закон Гука. Модуль упругости

Устройство динамометров — приборов для определения сил — основано на том, что упругая деформация прямо пропорциональна силе, вызывающей эту деформацию. Примером сказанного служит всем известный пружинный безмен.

Связь между упругими деформациями и внутренними силами в материале впервые была установлена английским ученым Р. Гуком. В настоящее время закон Гука формулируется следующим образом: механическое напряжение в упруго деформированном теле прямо пропорционально относительной деформации этого телах

Величина , характеризующая зависимость механического напряжения в материале от рода последнего и от внешних условий, называется модулем упругости. Модуль упругости измеряется механическим напряжением, которое должно возникнуть в материале при относительной упругой деформации, равной единице.

Отметим, что относительная упругая деформация обычно «выражается числом, много меньшим единицы. За редким исключением, получить е, равное единице, практически невозможно, так как материал задолго до этого разрушается. Однако модуль упругости k можно найти из опыта как отношение и при малом , так как в формуле (11.5) — величина постоянная.

Единицей модуля упругости в СИ является 1 Па. (Докажите это.)

Рассмотрим в качестве примера применение закона Гука к деформации одностороннего растяжения или сжатия. Формула (11.5) для этого случая принимает вид

где Е обозначает модуль упругости для этого вида деформации; его называют модулем Юнга. Модуль Юнга измеряется нормальным напряжением, которое должно возникнуть в материале при относительной деформации, равной единице, т. е. при увеличении длины образца вдвое . Числовое значение модуля Юнга определяют из опытов, проведенных в пределах упругой деформации, и при расчетах берут из таблиц.

Поскольку , из (11.6) получаем:, откуда

Таким образом, абсолютная деформация при продольном растяжении или сжатии прямо пропорциональна действующей на тело силе и длине тела, обратно пропорциональна площади поперечного сечения тела и зависит от рода вещества.

Наибольшее напряжение в материале, после исчезновения которого форма и объем тела восстанавливаются, называется пределом упругости. Формулы (11.5) и (11.7) справедливы, пока не перейден предел упругости. При достижении предела упругости в теле возникают пластические деформации. В этом случае может наступить момент, когда при одной и той же нагрузке деформация начнет возрастать и материал разрушается. Нагрузку, при которой в материале возникает наибольшее возможное механическое напряжение, называют разрушающей.

При постройке машин и сооружений всегда создают запас прочности. Запасом прочности называется величина, показывающая, во сколько раз фактическая максимальная нагрузка в самом напряженном месте конструкции меньше, чем разрушающая нагрузка.

Энергия упруго деформированного тела

Для того чтобы упруго деформировать тело, нужно совершить работу. За счет этой

работы деформированное тело приобретает потенциальную энергию П и само может совершить работу А. В пределах упругой деформации можно считать, что П=А.

Из выражения (11.7) следует, что сила F, растягивающая или сжимающая стержень (рис. 11.11), пропорциональна абсолютной деформации

где называют коэффициентом жесткости или жесткостью. График этой зависимости показан на рис. 11.19.

Из механики известно, что на графике зависимости силы от перемещения работа выражается площадью, ограниченной графиком и координатами точки. Следовательно, работа А, затраченная на растяжение или сжатие стержня на , численно будет равна площади треугольника АОВ на рис. 11.19, т. е.

так как при упругой деформации . Подставим F из (11.7а):

Таким образом, потенциальная энергия упруго деформированного тела прямо пропорциональна квадрату абсолютной деформации.

Услуги по физике:

Лекции по физике:

Присылайте задания в любое время дня и ночи в ➔

Официальный сайт Брильёновой Натальи Валерьевны преподавателя кафедры информатики и электроники Екатеринбургского государственного института.

Все авторские права на размещённые материалы сохранены за правообладателями этих материалов. Любое коммерческое и/или иное использование кроме предварительного ознакомления материалов сайта natalibrilenova.ru запрещено. Публикация и распространение размещённых материалов не преследует за собой коммерческой и/или любой другой выгоды.

Источник