Упругие силы и деформации
Сила, возникающая в теле в результате его деформации и стремящаяся вернуть его в начальное состояние, называется силой упругости.
Все тела материального мира подвержены деформациям различного рода. Деформации возникают в силу перемещения и, как следствие, изменения положения частиц тела друг относительно друга. По степени обратимости можно выделить:
- упругие, или обратимые деформации;
- пластические (остаточные), или необратимые деформации.
В случаях, когда тело по завершении воздействия сил, приводящих к деформации, восстанавливает свои первоначальные параметры, деформация называется упругой.
Стоит отметить, что при упругой деформации воздействие внешней силы на тело не превышает предела упругости. Таким образом, силы упругости компенсируют внешнее воздействие на тело.
В ином случае деформация является пластической или остаточной. Тело, подвергшееся воздействия такого характера не восстанавливает начальные размеры и форму.
Упругие силы, возникающие в телах, не способны полностью уравновесить силы, вызывающие пластическую деформацию.
В целом, различают ряд простых деформаций:
- растяжение (сжатие);
- изгиб;
- сдвиг;
- кручение.
Как правило, деформации нередко представляют собой совокупность нескольких представленных типов воздействия, что позволяет свести все деформации к двум наиболее распространенным типам, а именно к растяжению и сдвигу.
Характеристики сил упругости
Модуль силы упругости, действующий на единицу площади, есть физическая величина, названная напряжением (механическим).
Механическое напряжение, в зависимости от направления приложения силы, может быть:
- нормальным (направленным по нормали к поверхности, $σ$);
- тангенциальным (направленным по касательной к поверхности, $τ$).
Степень деформации характеризуется количественной мерой – относительной деформацией.
Так, например, относительное изменение длины стержня можно описать формулой:
$ε=\frac{\Delta l}{l}$,
а относительное продольное растяжение (сжатие):
$ε’=\frac{\Delta d}{d}$, где:
$l$ – длина, а $d$ – диаметр стержня.
Деформации $ε$ и $ε’$ протекают одновременно и имеют противоположные знаки, в силу того, что при растяжении изменение длины тела положительно, а изменение диаметра отрицательно; в случаях с сжатием тела знаки меняются на противоположные. Их взаимосвязь описывается формулой:
$ε’=-με$
Здесь $μ$ – коэффициент Пуассона, зависящий от свойств материала.
Закон Гука
По своей природе, упругие силы относятся к электромагнитным, не фундаментальным силам, и, следовательно, они описываются приближенными формулами.
Так, эмпирически установлено, что для малых деформаций относительное удлинение и напряжение пропорциональны, или
$σ=Eε$.
Здесь $E$ – коэффициент пропорциональности, называемый также модулем Юнга. Он принимает такое значение, при котором относительное удлинение равно единице. Модуль Юнга измеряется в ньютонах на квадратный метр (паскалях).
Согласно закону Гука удлинение стержня при упругой деформации пропорционально действующей на стержень силе, или:
$F=\frac{ES}{l}\Delta l=k\Delta l$
Значение $k$ получило название коэффициента упругости.
Деформация твердых тел описывается законом Гука лишь до достижения предела пропорциональности. С повышением напряжения деформация перестает быть линейной, но, вплоть до достижения предела упругости, остаточные деформации не возникают. Таким образом, Закон Гука справедлив исключительно для упругих деформаций.
Пластические деформации
При дальнейшем возрастании воздействующих сил, возникают остаточные деформации.
Значение механического напряжения, при котором происходит возникновение заметной остаточной деформации, названо пределом текучести ($σт$).
Далее степень деформации возрастает без увеличения напряжения вплоть до достижения предела прочности ($σр$), когда происходит разрушение тела. Если графически изобразить возвращение тела в первоначальное состояние, то область между точками $σт$ и $σр$ получит название области текучести (области пластической деформации). В зависимости от размера этой области все материалы делятся на вязкие, у которых область текучести значительна, и хрупкие, у которых область текучести минимальна.
Отметим, что прежде мы рассматривали воздействие сил, приложенных по направлению нормали к поверхности. Если же внешние силы были приложены по касательной, возникает деформация сдвига. При этом в каждой точке тела возникает тангенциальное напряжение, определяемое модулем силы на единицу площади, или:
$τ=\frac{F}{S}$.
Относительный сдвиг в свою очередь может быть вычислен по формуле:
$γ=\frac{1}{G}τ$, где $G$ – модуль сдвига.
Модуль сдвига принимает такое значение тангенциального напряжения, при котором величина сдвига равна единице; измеряется $G$ так же, как и напряжение, в паскалях.
