Сила упругости. Закон Гука

Научиться понимать, что такое сила упругости, когда она возникает, и как её рассчитывать с помощью закона Гука.

Сила упругости окружает нас повсюду: она помогает нам ходить (упругость мышц и обуви), работает в пружинах матрасов и автомобильных рессорах, в резинках для волос и в спортивных снарядах. Понимание закона Гука необходимо для проектирования зданий, мостов и механизмов, чтобы они выдерживали нагрузки и не разрушались.

• Сила упругости возникает только при деформации тела и направлена против деформации, стремясь вернуть тело в исходное состояние.
• Деформация — это изменение формы или размеров тела под действием внешних сил.
• Если после прекращения действия силы тело полностью восстанавливает форму, такая деформация называется упругой.
• Если форма тела не восстанавливается, деформация называется пластической (неупругой).
• Закон Гука выполняется только для упругих деформаций, когда деформация не слишком велика.
• Сила упругости прямо пропорциональна величине деформации (удлинению или сжатию) и жёсткости тела.
• Жёсткость тела зависит от материала и геометрических размеров тела (длины, площади сечения).

Сила упругости

Сила, возникающая при деформации тела и направленная в сторону, противоположную смещению частиц тела, стремясь вернуть его в исходное состояние.

Деформация

Изменение формы или размеров тела под действием внешних сил.

Упругая деформация

Деформация, при которой тело полностью восстанавливает свою форму и размеры после прекращения действия силы.

Пластическая деформация

Деформация, при которой тело не восстанавливает свою форму после снятия нагрузки (остаётся деформированным).

Закон Гука

Физический закон, устанавливающий, что сила упругости прямо пропорциональна величине деформации тела (удлинению или сжатию) при упругих деформациях.

Жёсткость тела

Физическая величина, характеризующая способность тела сопротивляться деформации; численно равна силе, необходимой для деформации тела на единицу длины.

• Закон Гука: F = k · x, где F — сила упругости (в ньютонах), k — жёсткость тела (в ньютонах на метр), x — величина деформации (удлинение или сжатие) в метрах.
• Сила упругости всегда направлена противоположно деформации: если пружину растягивают, сила упругости направлена внутрь, стремясь сжать её; если сжимают — наружу.
• Жёсткость пружины зависит от материала, из которого она сделана, от толщины проволоки, диаметра витков и числа витков.
• Закон Гука справедлив только для упругих деформаций, когда деформация не превышает предела упругости материала.
• Динамометр — прибор для измерения силы, основанный на законе Гука: по удлинению пружины судят о приложенной силе.
• Единица измерения силы упругости — ньютон (Н), единица жёсткости — ньютон на метр (Н/м).

1. Пример 1случай
   • Когда вы растягиваете пружину в ручке, она удлиняется, и в ней возникает сила упругости, которая тянет ручку обратно — это позволяет пружине возвращаться в исходное положение
2. Пример 2случай
   • При прыжке на батуте, прогибаясь под вашим весом, батут деформируется, и сила упругости выталкивает вас вверх — именно поэтому вы подпрыгиваете
3. Пример 3случай
   • Мостики для перехода через ручей прогибаются под весом человека, но благодаря упругости материала возвращаются в исходное положение, когда человек уходит
4. Пример 4случай
   • Резинка для волос при растяжении удлиняется, и сила упругости удерживает волосы вместе, возвращая резинку в исходное состояние после снятия

• Закон Гука был открыт английским учёным Робертом Гуком в 1660 году, но опубликован им лишь в 1678 году в виде анаграммы, чтобы защитить свой приоритет.
• Человеческие кости обладают упругостью: они могут выдерживать значительные нагрузки, но при превышении предела упругости происходит перелом (пластическая деформация).
• Резиновый жгут при растяжении подчиняется закону Гука только до определённого предела, после чего его упругость резко падает, и он начинает вести себя нелинейно.

• При работе с пружинами и резиновыми жгутами не растягивайте их чрезмерно — они могут лопнуть и ударить по рукам или лицу.
• Не направляйте растянутую пружину или резинку на людей — при разрыве она может выстрелить.
• При проведении опытов с деформацией используйте защитные очки, если есть риск разлёта осколков.

• Сила тяжести и вес тела
• Сила трения
• Сложение сил
• Давление твёрдых тел
• Механическая работа и энергия