§ 28. Свойства твердых тел и жидкостей

Определения и обозначения

Твёрдое тело — тело, которое сохраняет форму и объём. Его частицы расположены близко друг к другу и удерживаются взаимодействием. Поэтому без заметного внешнего воздействия тело не растекается и не меняет очертания. Это свойство помогает отличать твёрдые тела, например камень или карандаш, от жидкостей.

Жидкость — вещество, которое сохраняет объём, но принимает форму сосуда. Если налить воду в другую ёмкость, её поверхность и очертания изменятся вместе с сосудом. При этом вода не перестанет занимать прежний объём. Такое определение помогает не путать изменение формы с изменением количества жидкости.

Упругость — способность тела восстанавливать первоначальные форму и размеры после прекращения деформирующего воздействия. Например, растянутую пружину можно отпустить, и она примет прежний вид. Это свойство важно учитывать, когда нужно понять, вернётся ли тело к исходной форме после нагрузки. Величина изменения может зависеть от силы воздействия.

Пластичность — способность тела сохранять изменённую форму после прекращения деформирующего воздействия. Если размять пластилин и отпустить его, он не расправится сам собой. Пластичность позволяет отличить такое поведение от упругого восстановления. По этому признаку можно определить, какой вид деформации произошёл.

Как это устроено

В твёрдом теле частицы находятся близко друг к другу, но не стоят совершенно неподвижно. Они колеблются около устойчивых положений — как будто каждая движется взад-вперёд возле своего места. Такое движение не переносит частицу далеко от соседей. Поэтому тело сохраняет свои очертания, хотя на самом маленьком уровне движение всё равно происходит.

Форма твёрдого тела сохраняется благодаря взаимодействию частиц. Чтобы изменить их взаимное расположение, нужно приложить силу: например, надавить на предмет или потянуть его. Пока действие невелико, частицы лишь немного смещаются относительно устойчивых положений. Если воздействие достаточно сильное, тело заметно меняет форму, поэтому сохранение формы не означает полной невозможности деформации.

Частицы жидкости также расположены близко, но они не закреплены около одних и тех же мест так, как частицы твёрдого тела. Они могут перемещаться относительно друг друга, и соседние частицы меняются местами. Благодаря этому слои жидкости скользят, а сама она течёт и принимает очертания сосуда. При этом близкое расположение частиц помогает жидкости сохранять объём, а не разлетаться, как газ.

Деформация — это изменение формы или размеров тела под действием силы. Когда тянут за резинку, она растягивается; при нажатии на губку она сжимается; если нажать на линейку, она может согнуться. Во всех трёх случаях тело изменяет своё состояние из-за приложенной силы. Сравнение формы до воздействия и во время него помогает увидеть, что именно изменилось.

После прекращения действия силы тело может повести себя по-разному. При упругой деформации оно возвращается к первоначальной форме и размерам, как резиновый мяч после нажатия. При пластической деформации изменение остаётся, как у пластилина после разминания. Значит, чтобы определить вид деформации, нужно дождаться прекращения воздействия и проверить, восстановилось ли тело.

Сравнение свойств твёрдых тел и жидкостей

Сначала сравни, сохраняются ли форма и объём, а затем посмотри на движение частиц. Так можно связать наблюдаемое поведение предмета с его строением. Таблица также помогает не путать текучесть с отсутствием объёма.

Разбор задач

Задача 1. После нажатия на резиновый мяч он изменил форму, а затем снова стал прежним. Нужно определить вид деформации. Здесь важно рассматривать состояние мяча после того, как на него перестали нажимать, а не только момент нажатия. Сравним его форму до воздействия и после него.

1. При нажатии форма мяча изменилась, значит, произошла деформация.
2. После прекращения нажатия мяч вернулся к первоначальной форме.
3. Восстановление исходной формы означает упругую деформацию.

Ответ: деформация мяча была упругой. Решающий признак — восстановление прежней формы после прекращения воздействия.

Задача 2. Пластилину придали новую форму. Нужно выяснить, что произойдёт с ней после прекращения воздействия и к какому виду относится изменение. Необходимо учитывать свойства пластилина, а не только то, что его форма изменилась. Проверим, сохраняется ли результат, когда на пластилин больше не действуют.

1. Во время лепки на пластилин действует сила, поэтому он меняет форму.
2. После прекращения воздействия пластилин обычно сохраняет приданную ему форму.
3. Если изменение не исчезает, деформация является пластической.

Ответ: форма пластилина сохранится, а деформация будет пластической. Для проверки достаточно сравнить его форму до лепки и после прекращения воздействия.

Задача 3. Воду перелили из узкого сосуда в широкий. Нужно определить, что изменилось, а что осталось неизменным. Нельзя делать вывод только по высоте воды: в сосудах разной формы она может быть разной. Сопоставим форму жидкости и её объём.

1. После переливания вода заняла форму широкого сосуда, поэтому её форма изменилась.
2. При обычных условиях жидкость сохраняет объём, хотя очертания её поверхности и высота могут стать другими.
3. Следовательно, изменение формы не означает, что воды стало больше или меньше.

Ответ: форма воды изменилась, а её объём сохранился. Вода приняла форму нового сосуда.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что жидкость не имеет собственного объёма. Так думают, потому что она растекается и выглядит по-разному в сосудах. Проверь себя: если перелить одно и то же количество жидкости, форма изменится, но при обычных условиях её объём останется прежним. Меняется очертание жидкости, а не сам факт наличия у неё объёма.

Ошибка: полагать, что твёрдое тело совсем не может изменить форму. Такое впечатление возникает, потому что многие твёрдые предметы кажутся жёсткими при обычном обращении. Однако сила способна растянуть, сжать или согнуть тело. Для проверки достаточно понаблюдать за предметом под нагрузкой и сравнить его форму до и во время воздействия.

Ошибка: путать упругую деформацию с пластической. Оба случая начинаются с изменения формы, поэтому их легко смешать, если не посмотреть, что происходит потом. Дождись прекращения действия силы: восстановление первоначальной формы означает упругую деформацию, а сохранение изменённой — пластическую. Этот признак позволяет проверить ответ.

Ошибка: объяснять текучесть жидкости тем, что её частицы далеко друг от друга. Это предположение может возникнуть из-за того, что жидкость легко меняет очертания. В действительности частицы жидкости расположены близко, но могут перемещаться относительно друг друга. Чтобы проверить объяснение, сравни движение частиц жидкости с частицами газа: текучесть не означает, что частицы жидкости сильно разрежены.

Связь с другими темами

Для объяснения свойств тел нужно знать, что вещества состоят из частиц и что частицы взаимодействуют. Эти представления пригодятся при изучении газов и переходов между агрегатными состояниями: расположение и движение частиц помогают понять, почему состояние вещества меняется. Деформация и упругость связаны с действием сил, которое изучают в механике. Эти знания понадобятся и при разборе работы простых механизмов, где важно учитывать, как тела реагируют на нагрузку.

Что запомнить

• Твёрдое тело сохраняет форму и объём.
• Жидкость сохраняет объём, но принимает форму сосуда.
• Частицы твёрдого тела колеблются около устойчивых положений.
• Частицы жидкости могут перемещаться относительно друг друга.
• Деформация — изменение формы или размеров тела.
• При упругой деформации тело восстанавливает первоначальную форму.
• При пластической деформации тело сохраняет изменённую форму.