Механические свойства твердых тел.Деформации и их виды

1 Одесская специализированная общеобразовательная школа І-ІІІ ступеней № 40, Одесского городского совета, Одесской области. Учитель физики высшей категории Яковлев Юрий Яковлевич Механические свойства твердых тел

Силы в механике. Гравитационные силы. Силы упругости. Силы трения2

Силы упругости. Силы упругости возникают при деформации тел!Деформация — это изменение объема или формы тела.3

Силы упругости возникают при попытке изменить форму или объем твердого тела и при попытке изменить объем жидкости или при сжатии газа.4r

Деформации. Неупругие. Упругие5r

Закон Гука. При упругой деформации растяжения или сжатия, удлинение тела прямо пропорционально приложенной силе. 𝐹у=𝑘∆𝑥 𝑘 — коэффициент жесткости. ∆𝑥 — удлинение пружины,  𝑘 = Нм  Роберт Гук1635 — 1703𝐹у𝑥=−𝑘∆𝑥 6

График зависимости силы упругости от удлинения пружины{5 C22544 A-7 EE6-4342-B048-85 BDC9 FD1 C3 A}Сила упругости, НУдлинение пружины, м10,0120,0230,0340,04∆𝑥 𝐹у 102340,010,020,030,04𝐹у=𝑘∆𝑥 𝑘=100 Н/м 𝐹у~∆𝑥 7

Какую силу нужно приложить к пружине с коэффициентом жесткости 500 Н/м, чтобы сжать её на 20%? Длина пружины составляет 60 см. Дано: 𝑘=500 Н/м  𝐹− ?  𝑥=60 см  ∆𝑥=0,2𝑥  𝐹 500 Н/м 60 см 𝐹=𝐹у 𝐹у=𝑘∆𝑥 𝐹=𝑘∆𝑥=𝑘×0,2𝑥 𝐹=500×0,2×0,6=60 Н 8

Когда на пружину подвесили груз массой 2 кг, её длина составила полметра, а когда на неё подвесили груз массой 3 кг, удлинение пружины составило 10 см. Найдите длину пружины в расслабленном состоянии и коэффициент жесткости пружины. Дано: 𝑚1=2 кг  𝑘 − ?  𝑥1=0,5 м  ∆𝑥2=0,1 м  2 кг 3 кг 10 см 𝑥0 − ?  𝑚2=3 кг  ∆𝑥2=10 см  𝑘∆𝑥1=𝑚1𝑔𝑘∆𝑥2=𝑚2𝑔 ∆𝑥1=0,5−𝑥0 ∆𝑥2=0,1 𝑘(0,5−𝑥0)=𝑚1𝑔0,1𝑘=𝑚2𝑔⇒ 𝑘=𝑚2𝑔0,1=3×9,80,1=294 Н/м 9

Когда на пружину подвесили груз массой 2 кг, её длина составила полметра, а когда на неё подвесили груз массой 3 кг, удлинение пружины составило 10 см. Найдите длину пружины в расслабленном состоянии и коэффициент жесткости пружины. Дано: 𝑚1=2 кг  𝑘 − ?  𝑥1=0,5 м  ∆𝑥2=0,1 м  𝑥0 − ?  𝑚2=3 кг  0,5−𝑥0=𝑚1𝑔𝑘 𝑥0=0,5−𝑚1𝑔𝑘 𝑥0=0,5−2×9,8294≈0,43 м 𝑘(0,5−𝑥0)=𝑚1𝑔 10

Рыбак вытягивает рыбу из воды вертикально вверх с ускорением 𝟏,𝟐 м/с𝟐. Масса рыбы равна 1,5 кг, а коэффициент жесткости лески составляет 800 Н/м. Найдите растяжение лески. Дано: 𝑘=800 Н/м  ∆𝑥− ?  𝑎=1,2 м/с2 𝑚=1,5 кг  800 Н/м 1,2 м/с2 1, 5 кг 𝑁−𝑚𝑔=𝑚𝑎 𝑁=𝑚𝑔+𝑎=𝑃 𝐹у=𝑃 𝐹у=𝑘∆𝑥⇒ ∆𝑥=𝐹у𝑘=𝑚𝑔+𝑎𝑘 ∆𝑥=1,59,8+1,2800=0,02 м=2 см 11

Основные выводы. Деформация — это изменение объема или формы тела. Типы деформации: изгиб, сжатие, растяжение и кручение. Упругая деформация — это деформация, после которой тело восстанавливает исходную форму, как только перестают действовать силы, вызвавшие деформацию. Неупругая деформация — это деформация, после которой тело не восстанавливает свою форму даже после окончания действий сил, вызвавших деформацию.12

В физике закон Гука принято записывать в другой форме Для этого введем две новые величины: относительное удлинение (сжатие) –ε Относительное удлинение (сжатие) – это изменение длины тела, отнесенное к единице длины. Оно равно отношению относительного удлинения тела (сжатия) к его первоначальной длине:13style.colorfillcolorfill.typestyle.colorfillcolorfill.type

Механическое напряжение Механическое напряжение – это сила упругости, действующая на единицу площади. Оно равно отношению модуля силы упругости к площади поперечного сечения тела:14и напряжение - σstyle.colorfillcolorfill.type

При упругой малой деформации механическое напряжение прямо пропорционально относительному удлинению (сжатию) телагде Е – модуль Юнга или модуль упругости, который измеряется в Па ( Е = σ / ε  измеряется в тех же единицах, что напряжение)15style.colorfillcolorfill.type

Деформа́ция (от лат. deformatio — «искажение») — изменение взаимного положения частиц тела, связанное с их перемещением относительно друг друга. Деформация представляет собой результат изменения межатомных расстояний и перегруппировки блоков атомов. Обычно деформация сопровождается изменением величин межатомных сил, мерой которого является упругое механическое напряжение.16

Виды деформаций: растяжениесжатиесдвигкручение изгиб17

деформация упругая деформация – деформация, исчезающая после прекращения действия внешней силы Пластическая деформация – деформация, сохраняющаяся после прекращения действия внешней силы. Резина, сталь, кости, сухожилия, человеческое тело. Пластилин, замазка , жевательная резинка, воск, алюминий18

Закон Гука: Сила упругости прямо пропорциональна удлинению тела до некоторого предельного значения|F упр|=kll абсолютное удлинение (м)K коэффициент жесткости (Н/м) F упр - Сила упругости (Н) 19

Диаграмма растяженияучастке 0-1 выполняется закон Гука, т. е. нормальное напряжение пропорционально относительному удлинению(участок 1-2), не возникает остаточная деформация, называют пределом упругости. Увеличение нагрузки выше предела упругости (участок 2-3) приводит к тому, что деформация становится остаточной.(участок 3-4 графика). Это явление называют текучестью материала..(участок 4-5 графика). Максимальное значение нормального напряжения sпр, при превышении которого происходит разрыв образца, называют пределом прочности.20

σ -механическое напряжение (Па) Закон Гука ε -относительное удлинение. Е -модуль Юнга (Па) 21

От чего зависит жесткость?длиныматериалаплощади поперечного сечения22

Измерение деформациитензометр тензодатчики сопротивления рентгеноструктурный анализ поляризационно-оптический метод 23

Причины возникновения деформации твёрдых телследствием фазовых превращений, связанных с изменением объёма, теплового расширениярезультатом действия внешних силнамагничивания магнитострикцияпоявления электрического заряда (пьезоэлектрический эффект) 24

Тепловое расширение тел— жизненно важное явление. Наблюдения:25

Как велики изменения размеров твёрдых тел при нагревании?Оказывается, очень малы. Приведем экспериментальные факты. Если изготовить стержни из различных материалов так, чтобы при 20° они имели длину точно 1 м, а затем нагреть их точно на 1°, то удлинения этих стержней будут такими, как показано в списке. Асфальт -0,2 мм Бронза -0,0175 мм. Медь -0,017 мм. Инвар -0,005 мм Изучая список можно сделать вывод, почему наиболее точные измерительные инструменты делаются из особого сплава – инвара, и зачем на точных измерительных инструментах указывается температура (обычно 20 °С)?26

Почему при нагревании некоторые тела разрушаются? Если в стеклянный стакан налить кипяток, то стакан может треснуть. Почему? Дело здесь в неравномерном нагреве. Стекло плохо проводит тепло, поэтому, когда мы наливаем кипяток, внутренняя поверхность стакана сразу нагревается до 100 °С, а внешняя ещё сохраняет комнатную температуру. В результате слои стекла, прилегающие к внутренней поверхности стакана, начинают расширяться, а слои, прилегающие к внешней поверхности стакана, - ещё нет. Получается так, как если бы мы приложили к внутренней поверхности стакана дополнительное давление. А стекло - вещество хрупкое, такого давления может и не выдержать. Причина — неравномерное расширение стекла. Толстые стаканы - как раз самые непрочные в этом отношении: они лопаются чаще, нежели тонкие27

28

29

30

Вещества, сжимающиеся при нагреванииобычная вода обладает так называемой температурной аномалией - в области температур от 0 0 С до 4 0 С наночастицы оксида меди, сплавов, ceramics керамики на основе фосфатов, керамики на основе молибдатов циркония или гафния, полимеров, Глянцевые натяжные потолки. 31

Механические свойства твердых тел: Механические свойства характеризуют способность материала сопротивляться воздействию внешних сил. Прочность – способность материала сопротивляться разрушению под воздействием нагрузок. Пластичность – способность материала изменять форму и размер под действием внешних сил. Упругость – способность материала восстанавливать первоначальную форму и размер. Твердость – сопротивление твердого тела изменению формы (деформации) Все эти свойства проявляются под действием статических сил (постоянных по величине и направлению) 32

Груз какой массы следует подвесить к стальному тросу длиной 2 м и диаметром 1 см, чтобы он удлинился на 1 мм? Модуль Юнга для стали Е = 2 х 1011 Па. А. 400 кг; В. 600 кг; Д. 800 кг. Б. 500 кг; Г. 700 кг;33

Для определения модуля упругости вещества образец площадью поперечного сечения 1 см2 растягивают с силой 2 • 104 Н. При этом относительное удлинение образца оказывается равным 0,1%. Найдите по этим данным модуль упругости вещества образца. А. 100 ГПа; В. 200 ГПа; Д. 300 ГПа. Б. 150 ГПа; Г. 250 ГПа;34

При деформации или попытке деформации твердого тела возникают силы упругости. Силы упругости всегда препятствуют деформации. Силы упругости в жидкостях возникают только при попытке изменения объема. Силы упругости в газах возникают при попытке сжатия. Основные выводы35

Виды динамометров36

Деформации в жизни37

38 Домашнее задание:читать §

39 Физика и труд. Всё перетрут!