Физика 7 класс: деформация твердых тел

Твердое тело – это состояние вещества, при котором его молекулы или атомы тесно упорядочены и обладают фиксированным положением. Твердые тела обладают рядом характерных свойств, которые определяют их поведение под воздействием внешних сил.

Основные свойства твердых тел:

• Жесткость: Твердые тела обладают высокой жесткостью, что делает их устойчивыми к деформациям.
• Форма: Форма твердого тела остается постоянной при отсутствии внешних воздействий.
• Объем: Твердые тела обладают фиксированным объемом, который сохраняется при изменении условий окружающей среды.
• Импенетрация: Молекулы твердого тела тесно упакованы, что препятствует проникновению других частиц через его объем.

Понимание этих свойств является основой для изучения поведения твердых тел под воздействием различных сил и деформаций.

Какие силы действуют на твердое тело и как они влияют на его форму

Твердые тела подвержены воздействию различных сил, которые могут влиять на их форму. Важно понимать, как эти силы взаимодействуют с материалом, чтобы объяснить поведение твердых тел.

Силы, действующие на твердое тело, могут быть классифицированы следующим образом:

• Силы объемные: действуют внутри материала, поддерживая его структуру.
• Силы поверхностные: возникают на границах твердого тела, обеспечивая его форму.
• Силы внешние: могут быть направлены на твердое тело извне и вызывать изменения в его форме.

Силы поверхностного натяжения, молекулярные силы притяжения и адгезионные силы являются примерами сил, действующих на поверхности твердого тела. Эти силы обуславливают его устойчивость и форму.

В процессе воздействия внешних сил, твердые тела могут подвергаться деформации. Это включает в себя растяжение, сжатие и искажение формы. Понимание этих процессов необходимо для анализа механических свойств материалов и применения этого знания в различных областях, таких как инженерия и наука.

Что такое деформация твердого тела и какие виды деформации существуют

Деформация твердого тела — это изменение его формы и размеров под действием внешних сил или других факторов, таких как температура, фазовые превращения, намагничивание и т.д. Деформация твердого тела связана с перемещением его частиц (атомов, молекул, ионов) относительно их положения в состоянии равновесия. Деформация твердого тела может быть обратимой или необратимой, в зависимости от того, возвращаются ли частицы тела в исходное положение после снятия нагрузки или нет.

Существуют разные виды деформации твердого тела, которые зависят от характера приложенных сил и направления их действия. Некоторые из них перечислены ниже:

• Растяжение — деформация, при которой тело удлиняется вдоль оси действия силы. Например, растяжение пружины, стержня или проволоки. При растяжении тела увеличивается его длина и уменьшается площадь поперечного сечения.
• Сжатие — деформация, при которой тело укорачивается вдоль оси действия силы. Например, сжатие губки, книги или кирпича. При сжатии тела уменьшается его длина и увеличивается площадь поперечного сечения.
• Сдвиг — деформация, при которой тело искажается под действием параллельных сил, направленных в противоположные стороны. Например, сдвиг карточки, бумаги или слоя земли. При сдвиге тела изменяется его форма, но не объем.
• Кручение — деформация, при которой тело вращается вокруг своей оси под действием крутящих моментов. Например, кручение винта, ключа или проволоки. При кручении тела изменяется его форма, но не длина.
• Изгиб — деформация, при которой тело изгибается под действием сил, приложенных к его концам или в разных точках. Например, изгиб балки, листа или лопатки. При изгибе тела изменяется его форма, но не объем.

В зависимости от того, как меняется объем тела при деформации, можно выделить два типа деформации: изотропную и анизотропную . Изотропная деформация — это деформация, при которой объем тела не изменяется. Анизотропная деформация — это деформация, при которой объем тела изменяется. Например, при растяжении или сжатии тела происходит анизотропная деформация, а при сдвиге или кручении — изотропная деформация.

Деформация твердого тела — это важное явление, которое изучается в физике, механике, материаловедении и других науках. Деформация твердого тела определяет его свойства, такие как прочность, упругость, пластичность, ползучесть и т.д. Деформация твердого тела также имеет много практических применений в технике, науке и жизни, таких как изготовление деталей, измерение сил, создание оптических эффектов и т.д.

Источники:

1. Деформация — Википедия
2. Деформация: виды деформации, пределы упругости и прочности
3. Деформация твёрдого тела. Виды деформации. Физика. 10 класс

Что такое упругая и пластическая деформация и как они отличаются

Деформация твердого тела — это изменение его формы и размеров под действием внешних сил. Деформация может быть обратимой или необратимой, в зависимости от того, восстанавливает ли тело свою исходную форму после снятия нагрузки или нет. Обратимые деформации называются упругими, а необратимые — пластическими.

Упругая деформация — это деформация, при которой тело возвращается к первоначальным размерам и форме после удаления вызвавшей её нагрузки. Упругая деформация описывается законом Гука, согласно которому упругое напряжение пропорционально относительной деформации. В основе упругой деформации лежат обратимые смещения атомов тела от положения равновесия, при которых не нарушается структура кристаллической решетки. Примерами упругой деформации могут быть растяжение или сжатие пружины, изгиб или кручение балки, сжатие или расширение газа.

Пластическая деформация — это деформация, при которой тело сохраняет измененную форму и размеры после снятия нагрузки. Пластическая деформация происходит при превышении предела упругости материала, то есть напряжения, при котором начинаются необратимые перемещения атомов на значительные расстояния от исходных положений равновесия. При пластической деформации происходит нарушение структуры кристаллической решетки, образование дислокаций, скольжение и перестройка зерен. Примерами пластической деформации могут быть ковка, прокатка, вытяжка, штамповка, резка металлов.

Упругая и пластическая деформация отличаются по следующим признакам:

Признак	Упругая деформация	Пластическая деформация
Обратимость	Обратима	Необратима
Зависимость от напряжения	Пропорциональна	Непропорциональна
Изменение структуры	Отсутствует	Присутствует
Изменение свойств	Отсутствует или незначительно	Присутствует и значительно
Примеры	Растяжение пружины, изгиб балки, сжатие газа	Ковка, прокатка, вытяжка, штамповка, резка металлов

Источники:

Что такое модуль Юнга и как он характеризует упругость твердого тела

Модуль Юнга (модуль упругости) — это физическая величина, которая характеризует свойства какого-либо материала сгибаться или растягиваться под воздействием силы, по сути, это мера жесткости материала. Модуль Юнга назван в честь английского физика Томаса Юнга, который в XIX веке исследовал упругость твердых тел. Модуль Юнга является одним из модулей упругости, которые описывают различные виды деформации материалов.

Модуль Юнга определяется как отношение нормального напряжения, возникающего в материале при растяжении или сжатии, к относительному удлинению или сокращению материала. Математически это можно записать так:

$$E = \frac{\sigma}{\varepsilon}$$

где $E$ — модуль Юнга, $\sigma$ — нормальное напряжение, $\varepsilon$ — относительная деформация.

Модуль Юнга показывает, насколько сильно меняется длина материала при приложении к нему силы. Чем больше модуль Юнга, тем меньше деформируется материал и тем жестче он. Например, сталь имеет модуль Юнга около 200 ГПа, а резина — около 0,01 ГПа. Это означает, что сталь гораздо труднее растянуть или сжать, чем резину, при одинаковом напряжении.

Модуль Юнга также связан с скоростью распространения продольных звуковых волн в твердом теле. Чем больше модуль Юнга, тем быстрее звук проходит через материал. Формула для скорости звука в твердом теле выглядит так:

$$v = \sqrt{\frac{E}{\rho}}$$

где $v$ — скорость звука, $\rho$ — плотность материала.

Модуль Юнга зависит от типа материала, его состава, структуры, температуры, влажности и других факторов. В таблице ниже приведены значения модуля Юнга для некоторых материалов при комнатной температуре.

Материал	Модуль Юнга, ГПа
Алюминий	70
Бронза	75—125
Вольфрам	350
Германий	83
Графен	1000
Дюралюминий	74
Железо	180
Иридий	520
Кадмий	50
Кобальт	210
Константан	163
Кремний	109
Латунь	95
Лёд	3
Магний	45
Манганин	124
Медь	110
Никель	210
Ниобий	155
Олово	35
Свинец	18
Серебро	80
Серый чугун	110
Сталь	190—210
Стекло	70
Титан	112
Фарфор	59
Цинк	120
Хром	300

Источники:

Что такое коэффициент Пуассона и как он связан с изменением объема твердого тела при деформации

Коэффициент Пуассона — это упругая константа, которая характеризует изменение поперечных размеров твердого тела при его продольной деформации. Он определяется как отношение относительного поперечного сжатия к относительному продольному растяжению.

Коэффициент Пуассона зависит от природы материала, из которого состоит тело, и не зависит от его размеров и формы. Он может быть положительным, отрицательным или равным нулю. Для большинства материалов он лежит в пределах от 0 до 0,5. Для абсолютно хрупких материалов он равен 0, для абсолютно несжимаемых — 0,5.

Коэффициент Пуассона показывает, как изменяется объем твердого тела при его деформации. Если коэффициент Пуассона положителен, то при растяжении тела его объем уменьшается, а при сжатии — увеличивается. Если коэффициент Пуассона отрицателен, то при растяжении тела его объем увеличивается, а при сжатии — уменьшается. Если коэффициент Пуассона равен нулю, то при любой деформации тела его объем не изменяется.

Коэффициент Пуассона связан с другими упругими константами, такими как модуль Юнга, модуль сдвига и модуль всестороннего сжатия. С помощью этих констант можно описать упругое поведение твердого тела при различных видах деформации. Существуют формулы, позволяющие выразить одну упругую константу через другие.

Коэффициент Пуассона имеет важное значение для практического применения твердых тел в технике, науке и жизни. Он влияет на прочность, жесткость, устойчивость и колебательные свойства твердых тел. Он также определяет, как твердые тела реагируют на изменение температуры, влажности, скорости нагружения и других факторов.

Что такое растяжение и сжатие твердого тела и как они влияют на его длину и площадь поперечного сечения

Растяжение и сжатие твердого тела — это виды продольной деформации, которые возникают, когда на тело действуют силы, направленные вдоль его оси. Растяжение вызывает увеличение длины тела, а сжатие — уменьшение. При этом площадь поперечного сечения тела также изменяется, но в противоположном направлении: при растяжении она уменьшается, а при сжатии — увеличивается.

Степень изменения длины и площади поперечного сечения тела при растяжении или сжатии зависит от величины приложенной силы, площади исходного сечения, модуля Юнга и коэффициента Пуассона материала тела. Модуль Юнга характеризует упругость тела, то есть его способность возвращаться в исходное состояние после снятия нагрузки. Коэффициент Пуассона характеризует изменение объема тела при деформации. Чем больше модуль Юнга, тем меньше деформация тела при одинаковой нагрузке. Чем больше коэффициент Пуассона, тем больше изменение площади поперечного сечения при одинаковой деформации.

Для количественного описания растяжения и сжатия твердого тела используются понятия напряжения и деформации. Напряжение — это сила, действующая на единицу площади сечения тела. Деформация — это относительное изменение длины или площади поперечного сечения тела. Напряжение и деформация связаны между собой законом Гука, который имеет вид:

$$sigma = E varepsilon$$

где $sigma$ — напряжение, $E$ — модуль Юнга, $varepsilon$ — деформация.

Для вычисления деформации по изменению длины или площади поперечного сечения тела используются следующие формулы:

$$varepsilon_l = frac{l_2 — l_1}{l_1}$$

$$varepsilon_s = frac{s_2 — s_1}{s_1}$$

где $l_1$ и $l_2$ — длины тела до и после деформации, $s_1$ и $s_2$ — площади поперечного сечения тела до и после деформации.

Деформация по длине и по площади поперечного сечения связаны между собой коэффициентом Пуассона $mu$, который определяется как:

$$mu = — frac{varepsilon_s}{varepsilon_l}$$

Из этого выражения можно получить формулу для вычисления изменения площади поперечного сечения тела по его изменению длины:

$$s_2 = s_1 (1 — mu varepsilon_l)$$

Примеры растяжения и сжатия твердых тел можно наблюдать в повседневной жизни и в технике. Например, при натяжении резинового шарика или резинки, при сжатии пружины или губки, при изгибе балки или стержня, при термическом расширении или сжатии металлических деталей и т.д.

Источники:

Что такое критическое напряжение и как оно определяет предел прочности твердого тела

Критическое напряжение — это максимальное значение напряжения, при котором твёрдое тело ещё способно сопротивляться деформации без разрушения. Критическое напряжение зависит от вида нагрузки, например, растяжения, сжатия, изгиба, кручения и т.д. Критическое напряжение также зависит от внутренней структуры твёрдого тела, например, кристаллической или аморфной, а также от наличия дефектов, таких как трещины, поры, включения и т.д.

Предел прочности твёрдого тела — это характеристика, которая показывает, какое напряжение может выдержать твёрдое тело, прежде чем произойдёт его разрушение. Предел прочности твёрдого тела обычно определяется как критическое напряжение, при котором начинается необратимое изменение формы твёрдого тела, то есть пластическая деформация. Предел прочности твёрдого тела также зависит от вида нагрузки и внутренней структуры твёрдого тела, а также от скорости нагружения, температуры, влажности и других факторов.

Для измерения предела прочности твёрдого тела используют различные методы испытаний, такие как испытание на растяжение, сжатие, изгиб, кручение, удар и т.д. В этих методах измеряют зависимость деформации твёрдого тела от приложенного напряжения и строят диаграмму напряжение-деформация. На этой диаграмме можно определить критическое напряжение, при котором происходит переход от упругой деформации к пластической, а также напряжение, при котором происходит разрыв твёрдого тела.

В таблице ниже приведены примеры пределов прочности для некоторых твёрдых тел при растяжении .

Твёрдое тело	Предел прочности, МПа
Сталь	400-1200
Алюминий	70-500
Медь	200-300
Стекло	30-100
Дерево	40-150
Бумага	5-10

Какие факторы влияют на деформируемость твердого тела, такие как температура, влажность, скорость нагружения и др.

Деформируемость твердого тела — это способность тела изменять свою форму под действием внешних сил. Деформируемость зависит от многих факторов, таких как:

• Температура . При повышении температуры твердое тело расширяется, а при понижении — сжимается. Это связано с изменением кинетической энергии атомов и межатомных расстояний. При высоких температурах твердые тела становятся более мягкими и легче деформируются, а при низких — более твердыми и хрупкими.
• Влажность . Влажность воздуха влияет на деформируемость твердых тел, содержащих воду или гигроскопичные вещества. При повышении влажности вода проникает в микропоры и трещины твердого тела, увеличивая его объем и снижая прочность. При понижении влажности вода испаряется из твердого тела, уменьшая его объем и повышая прочность.
• Скорость нагружения . Скорость нагружения — это скорость изменения внешней силы, действующей на твердое тело. При высокой скорости нагружения твердое тело имеет меньше времени для перераспределения внутренних напряжений и деформаций, поэтому оно легче разрушается. При низкой скорости нагружения твердое тело имеет больше времени для адаптации к внешней силе и деформируется меньше.
• Время действия нагрузки . Время действия нагрузки — это продолжительность воздействия внешней силы на твердое тело. При длительном действии нагрузки твердое тело может подвергаться релаксации напряжений, когда внутренние силы уменьшаются за счет перехода тела из неустойчивого состояния в более устойчивое. Релаксация напряжений приводит к уменьшению деформаций твердого тела.
• Состав и структура твердого тела . Состав и структура твердого тела определяют его физические и механические свойства, такие как плотность, упругость, пластичность, твердость, прочность и др. Разные виды твердых тел имеют разную деформируемость в зависимости от их химического состава, кристаллической решетки, дефектов, фазовых переходов и др. Например, металлы обычно имеют высокую пластичность и деформируются под действием сдвиговых напряжений, вызванных движением дислокаций. Керамика же имеет низкую пластичность и деформируется под действием объемных напряжений, вызванных ростом и слиянием микротрещин.

Таким образом, деформируемость твердого тела зависит от множества факторов, которые влияют на его внутреннее состояние и внешнее поведение при приложении силы.

Какие практические применения имеют деформации твердых тел в технике, науке и жизни

Деформации твердых тел — это изменение формы и размеров тел под действием внешних сил или других факторов, таких как температура, влажность, магнитное поле и т.д. Деформации могут быть упругими, когда тело восстанавливает свою форму после снятия нагрузки, или пластическими, когда тело сохраняет новую форму. Деформации твердых тел имеют много практических применений в различных областях человеческой деятельности. Некоторые из них перечислены ниже.

• В технике деформации твердых тел используются для создания различных изделий и конструкций из металлов, пластиков, композитов и других материалов. Например, при ковке, штамповке, прокатке, сварке, литье и других способах обработки металлов происходят пластические деформации, при которых металл приобретает нужную форму и размер. При этом также изменяются его физические и механические свойства, такие как прочность, твердость, упругость и т.д.
• В науке деформации твердых тел изучаются для понимания внутренней структуры и свойств материалов, а также для создания новых материалов с желаемыми характеристиками. Например, при деформации твердых тел возникают различные эффекты, такие как пьезоэлектрический, пьезомагнитный, пьезооптический и т.д., которые заключаются в возникновении электрического, магнитного или оптического сигнала при деформации тела. Эти эффекты используются для создания датчиков, преобразователей, генераторов и других устройств
• В жизни деформации твердых тел встречаются повсеместно и влияют на нашу повседневную деятельность. Например, при тепловом расширении твердых тел меняются их линейные и объемные размеры, что может приводить к появлению щелей, изгибу, трещинам и другим дефектам. Поэтому при строительстве и монтаже необходимо учитывать коэффициенты теплового расширения различных материалов и предусматривать компенсаторы, деформационные швы и другие элементы, которые позволяют избежать нежелательных деформаций. Также тепловое расширение используется для измерения температуры с помощью термометров

Таким образом, деформации твердых тел имеют большое значение для техники, науки и жизни, так как позволяют создавать и изучать различные материалы и устройства, а также учитывать их поведение при воздействии различных факторов.