Конспект урока: Сила упругости. Зависимость силы упругости от деформации. Закон Гука

Сила упругости

Рассмотрим неподвижную пружину длиной $l_0$, один конец которой закреплён к потолку, а другой конец остаётся свободным (рис. 1). К свободному концу пружины подвесим груз, который из-за силы тяжести «хочет» упасть вниз, но пружина не даёт ему этого сделать. 

Рис. 1. Деформация растяжения пружины

Таким образом, из-за груза на пружину действует сила ${\overrightarrow{F}}_2$, которая тянет её вертикально вниз. Согласно второму закону Ньютона, пружина в этом случае должна приобрести ускорение в ИСО.  Вместо этого пружина изменила свой размер или, другими словами, деформировалась. Чтобы избежать противоречий нам следует рассмотреть пружину не как точечное тело, а как тело, обладающее формой и размером. В этом случае во время переходного процесса пружина оставалась в целом неподвижной относительно Земли, хотя её разные части постепенно смещались друг относительно друга. Про растянутую пружину говорят, что она находится в деформированном состоянии, или, более точно, пружина испытывает деформацию растяжения.

Деформация растяжения пружины характеризуется её удлинением — величиной $∆l = l_1 - l_0$.

По третьему Закону Ньютона со стороны пружины на груз будет действовать ${\overrightarrow{F}}_1$, при этом 

${\overrightarrow{F}}_1 =-{\overrightarrow{F}}_2$.

Сила, действующая со стороны пружины, называется силой упругости. Деформированная пружина «тянет» груз вверх, стремясь вернуться в недеформированное, исходное состояние.

Как видно из рисунка 1, сила упругости ${\overrightarrow{F}}_1$ и вектор удлинения пружины $∆\overrightarrow{l}$направлены противоположно. Такое противоположное направление этих векторов будет наблюдаться и при любых других случаях деформации упругих тел.

Например, если мы будем сжимать пружину, то сила упругости будет направлена противоположно сжимающей силе в сторону против сжатия.
 

Не во всех телах возникает сила упругости, а только в тех, которые стремятся вернуть свою прежнюю форму. Если убрать деформирующую силу, то такое тело примет первоначальную форму. Деформации таких тел называют упругими.
 

Есть такие тела, например, кусок пластилина, которые после деформации принимают новую форму и не возвращаются к старой. Деформацию таких тел называют неупругой или пластической.

Рис. 2. Изображение силы упругости

 

На рисунках силу упругости изображают из той точки, к которой она приложена к внешнему телу, вызывающему деформацию (рис. 2). Например, массивный брусок лежит на металлической пластинке и изгибает её. Силу упругости пластинки брусок «чувствует» в точке касания с ней. Точно так же сила упругости растянутой шариком нити приложена к точке крепления шарика.

Итоги

• Деформация — это изменение формы или размеров твёрдых тел под действием внешних сил.
• Сила упругости — это сила, возникающая в деформируемом теле, стремящаяся вернуть его в исходное недеформированное состояние и направленная против деформирующей силы.
• Если после исчезновения деформирующих сил тело возвращается в исходное состояние, то его деформацию называют упругой, а если нет, то неупругой или пластической.