Planul de lecție Puteri în natură. Forță elastică, frecare
Suntem înconjurați de o lume frumoasă - natură vie și neînsuflețită. Obiectele din lumea materială făcute de om și non-făcute de om există conform legilor naturii și conform propriilor modele, inerente doar acestor obiecte. Dar în această bogăție a vieții există o proprietate comună tuturor ființelor și obiectelor. Aceasta este puterea, adică capacitatea de a fi păstrat mult timp fără a fi distrus. Pentru a continua conversația despre putere, să studiem și să repetăm câteva concepte fizice.
După cum se știe, condiția pentru apariția forței elastice este prezența deformare corpul, adică își schimbă dimensiunea sau forma sub influența forțelor externe. Corpul uman suferă o încărcare destul de mare din propria greutate și din eforturile aplicate în timpul diferitelor acțiuni, prin urmare, folosind exemplul corpului uman, pot fi urmărite toate tipurile de deformații.
Coloana vertebrală și picioarele suferă deformarea prin compresie. Deformarea entorsei – brațe și toate ligamentele, tendoanele, mușchii. Deformare la îndoire – oase pelvine, coloana vertebrală, membre. Deformare torsională - gât la întoarcere, mâini la rotire. Ligamentele musculare, plămânii și alte organe au o mare elasticitate, de exemplu, ligamentul nucal poate fi întins de mai mult de două ori.
Stresul mecanic este forța elastică care acționează pe unitatea de suprafață a secțiunii transversale a corpului (vezi formula din stânga). Dacă deformația este elastică, atunci efortul mecanic este direct proporțional cu alungirea relativă a corpului (vezi formula corectă).
Coeficientul de proporționalitate este așa-numitul modul lui Young, care se măsoară în newtoni pe metru pătrat (adică pascali) și este desemnat prin simbolul E. Valoarea modulului lui Young arată solicitarea mecanică care trebuie aplicată unui corp în pentru a-l prelungi de 2 ori. Pentru diferite materiale, modulul Young variază foarte mult. Pentru oţel, de exemplu, E=2·10 11 N/m 2 , iar pentru cauciuc E=2.10 6 N/m 2 . Pentru țesutul cartilajului uman E = 2·10 8 N/m2.
Stresul final care distruge osul umărului este de aproximativ 8.10 8 N/m 2 , stresul final care distruge osul coapsei este de aproximativ 13.10 8 N/m 2 . Secțiunea transversală a femurului uman din partea sa mijlocie seamănă cu un cilindru gol, cu o rază exterioară de 11 mm și o rază interioară de 5 mm. Rezistența la compresiune a țesutului osos este de 1,7·10 8 N/m 2 . Doar o încărcătură care cântărește mai mult de 5 tone o poate distruge!
Natura a înzestrat oamenii și animalele cu oase tubulare și a făcut tulpinile cerealelor tubulare, combinând economia materialului cu rezistența și ușurința „structurilor”. Sub influența unei rafale de vânt, tulpina unei plante sănătoase se îndoaie. Dacă, în timpul unei rafale de vânt, magnitudinea tensiunilor mecanice care apar în tulpină nu depășește o valoare critică, atunci după rafala de vânt tulpina se îndreaptă. Dacă, în timpul unei rafale de vânt, magnitudinea tensiunii mecanice depășește o valoare critică, atunci tija nu se va îndrepta și se va deplasa irevocabil din poziția verticală, adică se va întinde.
(C) 2010. Onuchina Vera Ivanovna (Republica Mari El, sat Sernur)
Se numește forța cu care un corp este atras de Pământ gravitaţie.
Ft – gravitație. Este îndreptată vertical în jos dacă nu este luată în considerare. Punctul de aplicare a gravitației este în centrul corpului.
g = 9,8 N/kg – coeficient de proporționalitate, arătând că o forță gravitațională de 9,8 N acţionează asupra unui corp cu greutatea de 1 kg
F Т = mg – modulul gravitațional, unde m – masa corporală.
Din aceasta vedem că forța gravitației este direct proporțională cu masa corpului.
Forța gravitației care acționează asupra unui corp dat depinde de:
1. De la înălțimea corpului deasupra suprafeței Pământului. Dacă corpul este ridicat la o anumită înălțime, forța gravitațională va scădea.
2. Din locația de pe Pământ. Datorită rotației Pământului, acesta este turtit la poli. Corpul este mai aproape de centrul Pământului și g este mai mare, astfel încât forța gravitațională este mai mare la poli decât la ecuator.
Forța gravitației este egală cu forța gravitației universale care acționează asupra unui corp de pe Pământ (dacă nu ținem cont de rotația zilnică a Pământului).
Forța elastică - Aceasta este o forță care apare în timpul deformării unui corp și o împiedică.
Control F – forță elastică. Este întotdeauna îndreptată împotriva deformării corpului.
Punctul de aplicare al forței elastice este pe suport sau suspensie
Omul de știință englez Robert Hooke a stabilit: Forța elastică care apare în timpul deformării elastice de tensiune și compresie este direct proporțională cu alungirea absolută a corpului și este îndreptată împotriva deformării. L 0 - lungimea initiala a corpului. L – lungimea finală a corpului. ∆L = L – L 0 – alungirea corpului, arată cât de mult se modifică lungimea corpului F ext. – o forță externă care provoacă deformarea corpului. ∆L>0, în timpul deformării la tracțiune. ∆L<0 , при деформации сжатия.
F ex. = k | ∆L| - Legea lui Hooke
k – rigiditatea corpului – o mărime fizică care arată ce forță elastică apare în corp atunci când este prelungită cu 1 m [k] = N/m
Forța de frecare este o forță care apare atunci când două corpuri se ating și împiedică mișcarea lor reciprocă. Forța de frecare este întotdeauna îndreptată împotriva vitezei corpului.
Cauza forței de frecare statică este:
- Nereguli la contactarea organismelor.
- Forțe de atracție reciprocă între moleculele corpurilor în contact.
Pentru a reduce frecarea, se folosește un lubrifiant, care umple neregularitățile și separă moleculele corpurilor în contact, împiedicându-le să se atragă. Forța de frecare este una dintre forțele electromagnetice.
Tipuri de frecare : frecare statică, frecare de alunecare, frecare de rulare.
Frecare statică .
F tr. pok. - aceasta este forța care împiedică începerea mișcării unui corp pe suprafața altuia.
F tr.pok. = F forță dacă v = 0
F tr.pok. max. – forța de frecare statică maximă
F tr.pok. max. = F forță, dacă v = const, adică este egală cu forța de tracțiune care mișcă corpul din locul său.
Forța frecării statice joacă un rol important în viața noastră, deoarece datorită ei ne putem mișca; ajută la mișcarea vehiculului, ține un corp pe suprafața altuia.
Forța de frecare de alunecare .
Forța de frecare de alunecare este forța de frecare care apare atunci când un corp alunecă de-a lungul suprafeței altuia. sk. = F forță, dacă corpul se mișcă rectiliniu și uniform.
Ftr. sk. Forța de frecare de alunecare nu depinde de aria corpurilor de contact. Ftr. sk. depinde: 1.din forta de presiune. Cu cât forța de presiune este mai mare, cu atât forța de frecare este mai mare. 2. privind calitatea tratamentului de suprafață al corpurilor de contact 3. din materialul corpurilor de contact. Forța de frecare la rulare
.
Forța de frecare de rulare este forța care împiedică un corp să se rostogolească pe suprafața altuia. Motivul principal pentru apariția sa este că un corp de rulare deformează suportul și trebuie să se rostogolească în mod constant din gaura rezultată. Ftr. calitate = F împingere, dacă corpul se mișcă rectiliniu și Toate celelalte lucruri fiind egale, forța de frecare de rulare este întotdeauna mai mică decât forța de frecare de alunecare. Utilizarea rulmenților cu bile și cu role se bazează pe această proprietate. Puterea de rezistență.
Forța de rezistență este forța de frecare care apare atunci când un corp se mișcă într-un lichid sau gaz. Nu există nicio forță de frecare statică într-un lichid, așa că chiar și o forță mică de tracțiune poate muta un corp din locul său. F s depinde de: F tr. . = μ. F d = μN μ. – coeficientul de frecare F d – forța de presiune pe suport N – forța de reacție a suportului. Dacă există un strat de lubrifiant între corpurile de contact, atunci frecarea se numește lichid, iar dacă nu există lubrifiant, atunci se numește uscată. Forța de frecare nu este o forță potențială, adică munca acestei forțe depinde de forma traiectoriei de mișcare și pe o traiectorie închisă munca acestei forțe nu este zero. 3. Rezolvați problema:
Prin lovirea bastonului de hochei, viteza de 20 m/s a fost transmisă pucului de hochei. In 2 secunde viteza de deplasare a pucului în linie dreaptă a devenit 16 m/s. Găsiți accelerația discului. Rezolvare: folosind formula de calcul a accelerației a=Dv/t, prin calcul găsim acea accelerație şaibe 2 m/s 2 . În natură, totul este interconectat și interacționează continuu unul cu celălalt. Fiecare parte a acestuia, fiecare dintre componentele și elementele sale este expusă constant unui întreg complex de forțe. În ciuda faptului că numărul este destul de mare, toate pot fi împărțite în patru tipuri: 1. Forțe gravitaționale. 2. Forțe de natură electromagnetică. 3. Forțe de tip puternic. În fizică există așa ceva ca deformarea elastică. Deformarea elastică este un fenomen de deformare în care dispare după ce forțele externe încetează să acționeze. După o astfel de deformare, corpul revine la forma sa inițială. Astfel, forța elastică, a cărei definiție spune că ia naștere în corp după deformarea elastică, este o forță potențială. Forța potențială, sau forța conservativă, este o forță pentru care activitatea sa nu poate fi dependentă de traiectoria sa, ci depinde doar de punctele inițiale și finale de aplicare a forțelor. Lucrul efectuat de o forță conservativă sau potențială de-a lungul unei căi închise va fi zero. Putem spune că forța elastică este de natură electromagnetică. Această forță poate fi apreciată ca o manifestare macroscopică a interacțiunii dintre moleculele unei substanțe sau corpului. În orice caz în care apare fie compresia, fie întinderea unui corp, se manifestă forța elastică. Este îndreptată împotriva forței care produce deformarea, în direcția opusă deplasării particulelor unui corp dat și este perpendiculară pe suprafața corpului care suferă deformare. De asemenea, vectorul acestei forțe este îndreptat în direcția opusă deformării corpului (deplasarea moleculelor acestuia). Calculul valorii forței elastice apărute într-un corp în timpul deformării are loc în funcție de acesta, forța elastică este egală cu produsul dintre rigiditatea corpului și modificarea coeficientului de deformare a acestui corp. Conform legii lui Hooke, forța elastică care apare în timpul unei anumite deformări a unui corp sau substanță este direct proporțională cu alungirea acestui corp și este îndreptată în direcția opusă direcției în care particulele unui corp dat se mișcă relativ. la alte particule în momentul deformării. Indicele de rigiditate al unui anumit corp sau coeficientul proporțional depinde de materialul utilizat pentru realizarea corpului. De asemenea, rigiditatea depinde de proporțiile geometrice și de forma unui corp dat. În relație cu forța elastică, există și un astfel de concept ca. Această stres este raportul dintre modulul forței elastice și o unitate de suprafață într-un punct dat al secțiunii luate în considerare. Dacă asociem legea lui Hooke cu o tensiune de acest tip, atunci formularea sa va suna oarecum diferit. Tensiunea mecanică care apare într-un corp în timpul deformării acestuia este întotdeauna proporțională cu alungirea relativă a acestui corp. Trebuie avut în vedere faptul că efectul legii lui Hooke este limitat doar la mici deformații. Există limite de deformare în care se aplică această lege. Dacă acestea sunt depășite, atunci forța elastică va fi calculată folosind formule complexe, indiferent de legea lui Hooke. DEFINIŢIE Deformari sunt orice modificări ale formei, mărimii și volumului corpului. Deformarea determină rezultatul final al mișcării părților corpului unul față de celălalt. DEFINIŢIE Deformatii elastice se numesc deformari care dispar complet dupa inlaturarea fortelor externe. Deformari plastice se numesc deformaţii care rămân total sau parţial după încetarea forţelor externe. Capacitatea de a deforma elastice și plastice depinde de natura substanței din care este compus corpul, de condițiile în care se află; metode de fabricare a acestuia. De exemplu, dacă luați diferite tipuri de fier sau oțel, puteți găsi în ele proprietăți elastice și plastice complet diferite. La temperaturi normale ale camerei, fierul este un material foarte moale, ductil; oțelul călit, dimpotrivă, este un material dur, elastic. Plasticitatea multor materiale este o condiție pentru prelucrarea lor și pentru fabricarea pieselor necesare din acestea. Prin urmare, este considerată una dintre cele mai importante proprietăți tehnice ale unui solid. Când un corp solid este deformat, particulele (atomi, molecule sau ioni) sunt deplasate din pozițiile lor inițiale de echilibru în poziții noi. În acest caz, interacțiunile de forță dintre particulele individuale ale corpului se modifică. Ca urmare, în corpul deformat apar forțe interne, împiedicând deformarea acestuia. Există deformații de tracțiune (compresive), de forfecare, de încovoiere și de torsiune. DEFINIŢIE Forțe elastice– acestea sunt forțele care apar într-un corp în timpul deformării sale elastice și sunt îndreptate în direcția opusă deplasării particulelor în timpul deformării. Forțele elastice sunt de natură electromagnetică. Ele previn deformările și sunt direcționate perpendicular pe suprafața de contact a corpurilor care interacționează, iar dacă corpuri precum arcuri sau fire interacționează, atunci forțele elastice sunt direcționate de-a lungul axei lor. Forța elastică care acționează asupra corpului de pe suport este adesea numită forță de reacție a suportului. DEFINIŢIE Deformare la tracțiune (deformare liniară) este o deformare în care se modifică o singură dimensiune liniară a corpului. Caracteristicile sale cantitative sunt alungirea absolută și relativă. Alungire absolută: unde și este lungimea corpului în starea deformată și respectiv neformată. Elongaţie: Deformațiile mici și de scurtă durată cu un grad suficient de precizie pot fi considerate elastice. Pentru astfel de deformari, legea lui Hooke este valabila: unde este proiecția forței pe axa de rigiditate a corpului, în funcție de dimensiunea corpului și de materialul din care este realizat, unitatea de rigiditate în sistemul SI este N/m. EXEMPLUL 1 O forță elastică acționează și asupra unei sarcini suspendate pe un arc. Proiectând această egalitate vectorială pe axa de coordonate, obținem: Conform legii lui Hooke, forța elastică: deci putem scrie: de unde provine lungimea arcului deformat: Să convertim lungimea arcului nedeformat, cm, în sistemul SI. Înlocuind valorile numerice ale mărimilor fizice în formulă, calculăm: EXEMPLUL 2 Corpul este acționat de forța de reacție a suportului și forța elastică a arcului. Orice corp, atunci când este deformat și expus influențelor externe, rezistă și se străduiește să-și restabilească forma și dimensiunea anterioară. Acest lucru se întâmplă din cauza interacțiunilor electromagnetice din organism la nivel molecular. Deformarea este o modificare a poziției particulelor corpului unele față de altele. Rezultatul deformării este o modificare a distanțelor interatomice și rearanjarea blocurilor de atomi. Definiţie. Ce este forța elastică? Forța elastică este o forță care apare în timpul deformării unui corp și tinde să readucă corpul în starea inițială. Să luăm în considerare cele mai simple deformații - tensiune și compresie Figura arată cum acționează forța elastică atunci când comprimăm sau întindem o tijă. Pentru deformații mici x ≪ l legea lui Hooke este valabilă. Deformația care apare într-un corp elastic este proporțională cu forța aplicată corpului. F y p r = - k x Aici k este un coeficient de proporționalitate numit rigiditate. Unitatea de măsură SI pentru duritate este Newton pe metru. Rigiditatea depinde de materialul corpului, de forma și dimensiunea acestuia. Semnul minus arată că forța elastică contracarează forța externă și tinde să readucă corpul în starea inițială. Există și alte forme de scriere a legii lui Hooke. Deformația relativă a unui corp este raportul ε = x l. Tensiunea din corp este raportul σ = - F y p r S . Aici S este aria secțiunii transversale a corpului deformat. A doua formulare a legii lui Hooke: deformarea relativă este proporțională cu tensiunea. Aici E este așa-numitul modul Young, care nu depinde de forma și dimensiunea corpului, ci depinde doar de proprietățile materialului. Valoarea modulului Young variază foarte mult între diferitele materiale. De exemplu, pentru oțel E ≈ 2 10 11 N m 2 și pentru cauciuc E ≈ 2 10 6 N m 2 Legea lui Hooke poate fi generalizată în cazul deformațiilor complexe. Să luăm în considerare deformația la îndoire a tijei. Cu o astfel de deformare la îndoire, forța elastică este proporțională cu deformarea tijei. Capetele tijei se află pe două suporturi, care acționează asupra corpului cu o forță N →, numită forță de reacție a suportului normal. De ce normal? Deoarece această forță este direcționată perpendicular (în mod normal) pe suprafața de contact. Dacă tija se sprijină pe o masă, forța normală de reacție a solului este îndreptată vertical în sus, opus forței gravitaționale, pe care o contrabalansează. Greutatea unui corp este forta cu care actioneaza asupra suportului. Forța elastică este adesea considerată în contextul tensionării sau compresiunii unui arc. Acesta este un exemplu comun care apare adesea nu numai în teorie, ci și în practică. Arcurile sunt folosite pentru a măsura mărimea forțelor. Un dispozitiv conceput pentru aceasta este un dinamometru. Un dinamometru este un arc a cărui tensiune este calibrată în unități de forță. O proprietate caracteristică a arcurilor este că legea lui Hooke este aplicabilă pentru acestea atunci când modificarea lungimii este suficient de mare. Când un arc este comprimat și întins, se aplică legea lui Hooke și apar forțe elastice care sunt proporționale cu modificarea lungimii arcului și a rigidității acestuia (coeficientul k). Spre deosebire de arcuri, tijele și firele respectă legea lui Hooke în limite foarte înguste. Astfel, cu o deformare relativă de peste 1%, apar modificări ireversibile ale materialului - fluiditate și distrugere. Dacă observați o eroare în text, vă rugăm să o evidențiați și să apăsați Ctrl+EnterForțe elastice
legea lui Hooke
Exemple de rezolvare a problemelor
Exercita
Un arc cu rigiditate N/m în stare fără sarcină are o lungime de 25 cm Care va fi lungimea arcului dacă de el este suspendată o sarcină de 2 kg?
Soluţie
Să facem un desen.
Răspuns
Lungimea arcului deformat va fi de 29 cm.
Exercita
Un corp cu o greutate de 3 kg este deplasat de-a lungul unei suprafețe orizontale cu ajutorul unui arc cu rigiditate N/m. Cât se va lungi arcul dacă sub acțiunea sa, cu mișcare uniform accelerată, viteza corpului se schimbă de la 0 la 20 m/s în 10 s? Ignora frecarea.
Soluţie
Să facem un desen. 
