§41. Деформация твёрдого тела. Виды деформации  

Определения и обозначения

Деформация твёрдого тела — изменение его формы и/или размеров под действием внешних сил. Она может быть заметной, как растяжение резинки, или очень малой, как изгиб массивной балки. Это понятие помогает описывать, что происходит с телом при нагрузке, даже если изменение трудно увидеть глазом.

Упругая деформация — изменение формы или размеров, которое исчезает после прекращения действия внешних сил. Например, сжатая пружина после снятия нагрузки обычно возвращается к исходной длине. Это определение позволяет понять, способен ли материал восстановить прежнее состояние.

Пластическая деформация — изменение формы или размеров, которое сохраняется после прекращения действия внешних сил. Сжатый пластилин остаётся сплющенным, когда на него перестают давить. Так отличают материалы и состояния, при которых тело не возвращается полностью к исходной форме.

Растяжение и сжатие — виды деформации, при которых тело соответственно удлиняется или укорачивается. Резиновый шнур, который тянут за концы, растягивается, а предмет, сдавливаемый с двух сторон, сжимается. Эти термины указывают не на материал, а на то, как меняются размеры тела.

Как это устроено

Частицы твёрдого тела удерживаются рядом силами взаимодействия и располагаются в определённом порядке. Когда на тело действуют внешние силы, они смещают частицы относительно друг друга, из-за чего меняются расстояния между ними или их взаимное положение. Так возникают изменения формы и размеров. Если тело просто летит или скользит как единое целое, частицы не смещаются друг относительно друга и деформации нет.

После снятия нагрузки частицы могут вернуться к прежнему расположению или остаться в изменённом положении. При упругой деформации силы взаимодействия между частицами стремятся восстановить исходную структуру, поэтому тело возвращается к прежней форме. При пластической деформации изменения сохраняются: полного восстановления не происходит. Какой результат получится, зависит от материала и от того, насколько сильной была нагрузка.

Вид деформации определяют по тому, как меняется тело и как направлены действующие силы. При растяжении силы тянут тело в противоположные стороны, а при сжатии давят навстречу друг другу; в первом случае тело удлиняется, во втором — укорачивается. При изгибе прямое тело становится изогнутым, при сдвиге его части смещаются параллельно друг другу. При кручении части тела поворачиваются вокруг его продольной оси.

Способ действия сил помогает отличить изгиб, сдвиг и кручение. Линейка, на которую давят посередине при опоре на концах, прогибается: это изгиб. Если попытаться сдвинуть верхнюю часть бруска относительно нижней, возникнет сдвиг; если закрутить один конец стержня относительно другого — кручение. При изгибе разные стороны тела ведут себя неодинаково: одна растягивается, а другая сжимается.

В реальных ситуациях деформация редко бывает только одного вида. Согнутая балка испытывает изгиб, а её отдельные части одновременно растягиваются или сжимаются; при закручивании некоторых деталей возможно также их небольшое смещение. Характер изменений зависит и от свойств материала, и от величины нагрузки. Сильная нагрузка может привести к тому, что прежде упругая деформация станет пластической.

Виды деформации твёрдого тела

Сначала выясните, как именно меняется форма или размер тела, а затем сопоставьте это с описанием во втором столбце. Пример помогает представить действие сил, но в реальной ситуации могут сочетаться сразу несколько видов деформации.

Разбор задач

Задача 1. Определите вид деформации резинового шнура, который тянут за концы в противоположные стороны. Важно не просто отметить, что шнур меняет форму, а установить, как именно меняются его размеры. Силы направлены от середины шнура к концам, поэтому тело удлиняется.

1. Определяем, что происходит с длиной шнура: она увеличивается.
2. Сопоставляем изменение с определением: удлинение тела под действием сил — это растяжение.
3. Уточняем, что речь идёт о виде деформации по изменению размеров, а не о том, вернётся ли шнур к прежней длине.

Ответ: шнур испытывает растяжение. Если он после снятия нагрузки вернётся к прежней длине, деформация будет упругой; само условие этого не устанавливает.

Задача 2. Линейка опирается концами на стол, а на неё нажимают посередине. Назовите вид деформации. Представим, как нагрузка меняет форму линейки: её середина отклоняется вниз, и прямой предмет становится изогнутым. Это характерный признак изгиба.

1. Отмечаем, где приложена сила и как удерживается линейка: нагрузка действует на середину, концы служат опорами.
2. Проверяем, что меняется: линейка не просто укорачивается, а прогибается и теряет прямую форму.
3. Сравниваем с видами деформации: изменение прямой формы под нагрузкой соответствует изгибу.

Ответ: линейка испытывает изгиб. При этом верхние и нижние части линейки деформируются неодинаково: одни растягиваются, другие сжимаются.

Задача 3. Пружину растянули, а пластилин сжали. После снятия нагрузки пружина вернулась к прежней длине, а пластилин сохранил новую форму. Определите деформацию в каждом случае по двум признакам: направлению изменения и способности восстановиться.

1. Пружина удлинилась, значит, по характеру изменения это растяжение.
2. После снятия силы пружина восстановила длину, поэтому её деформация упругая.
3. Пластилин стал короче в направлении сжатия, значит, он испытал сжатие; сохранение новой формы означает, что деформация пластическая.

Ответ: пружина испытала упругое растяжение, пластилин — пластическое сжатие. Здесь использованы две независимые классификации: по изменению тела и по результату после снятия нагрузки.

Типичные ошибки

Ошибка — считать упругую и пластическую деформации разными способами приложения силы. Их различают не по направлению силы, а по тому, восстанавливает ли тело исходную форму после снятия нагрузки. Путаница возникает потому, что оба слова называют видом деформации. Проверьте себя: мысленно уберите нагрузку и проследите, исчезнет ли изменение.

Сжатие иногда путают со сдвигом, потому что в обоих случаях тело может выглядеть изменившим форму. При сжатии оно укорачивается вдоль направления действия сил, а при сдвиге части смещаются параллельно одна относительно другой. Ошибка появляется, если смотреть только на общий вид предмета. Проверьте направление смещения частей и спросите себя, изменяется ли длина тела.

Неверно считать, что при изгибе всё тело деформируется одинаково по толщине. При изгибе одна сторона растягивается, а противоположная сжимается, поэтому части тела ведут себя по-разному. Эту особенность легко не заметить, если рассматривать только общий прогиб. Для проверки сравните внешнюю и внутреннюю стороны изгиба: одна становится длиннее, другая короче.

Ещё одна ошибка — приписывать телу только один вид деформации. В задачах часто называют основной вид, например изгиб, хотя при этом отдельные части тела растягиваются и сжимаются. Такое упрощение удобно для начала анализа, но не всегда описывает ситуацию полностью. Проверьте себя: кроме главного изменения формы, подумайте, какие части тела удлиняются, укорачиваются или смещаются.

Связь с другими темами

Чтобы разбирать деформации, нужно знать, что сила может изменить состояние тела, а не только его движение. Связь с молекулярной физикой объясняет, почему частицы смещаются при нагрузке и стремятся вернуться к прежнему расположению. Далее эти представления пригодятся при изучении силы упругости и закона Гука. Они также важны для понимания прочности конструкций: нагрузку нужно соотносить со свойствами материала.

Что запомнить

• Деформация — изменение формы или размеров тела.
• Причина деформации — действие внешних сил.
• Упругая деформация исчезает после снятия нагрузки.
• Пластическая деформация сохраняется после снятия нагрузки.
• Основные виды деформации: растяжение, сжатие, изгиб, сдвиг и кручение.
• В одном теле могут одновременно возникать несколько видов деформации.