§ 16. Деформация твёрдых тел. Виды деформации

Определения и обозначения

Деформация — изменение формы и/или размеров твёрдого тела под действием внешних сил. Например, сила рук может изменить длину ленты, а груз — форму доски. Понятие помогает описывать, что именно произошло с телом при воздействии.

Упругая деформация — деформация, исчезающая после прекращения действия силы; тело восстанавливает первоначальные форму и размеры. Если отпустить растянутую резинку и она вернулась к прежней длине, её изменение было упругим. Это определение позволяет судить о реакции тела после снятия нагрузки.

Пластическая деформация — деформация, сохраняющаяся после прекращения действия силы. Если после нажатия на кусок пластилина вмятина остаётся, изменение формы пластическое. Чтобы определить такой вид деформации, нужно проверить тело не только под нагрузкой, но и после неё.

Виды деформации — растяжение, сжатие, изгиб, сдвиг и кручение; их различают по характеру изменения формы тела. При растяжении тело удлиняется, а при сдвиге его слои смещаются. Названия помогают понять, каким именно образом сила меняет тело.

Как это устроено

Внешняя сила действует на тело со стороны другого тела и может изменить расстояния между его частями. Поэтому меняются длина, форма или и то и другое. Если тянуть за концы резиновой ленты, она удлиняется; если сдавить мягкий предмет с двух сторон, он укорачивается или меняет очертания. Чем заметнее меняется расположение частей тела, тем заметнее его деформация.

После прекращения действия силы тело может вернуться к прежнему состоянию или сохранить часть изменений. Это зависит от того, способно ли оно восстановить прежнее расположение своих частей. При упругой деформации форма восстанавливается, а при пластической остаётся изменённой. Поэтому вид материала сам по себе не даёт ответа: нужно наблюдать, что произошло после снятия нагрузки.

Растяжение возникает, когда силы тянут тело в противоположные стороны, и его длина увеличивается. При сжатии силы направлены навстречу друг другу, поэтому длина тела уменьшается. Оба вида связаны с изменением длины, но направление этого изменения различно. Например, подвешенный груз растягивает пружину, а нажатие на неё с двух концов сжимает её.

При изгибе тело искривляется, потому что приложенная сила смещает его части неодинаково; например, середина опёртой на края доски прогибается. При сдвиге слои тела смещаются параллельно друг другу, словно один слой сдвигают в сторону относительно соседнего. При кручении части тела поворачиваются относительно друг друга вокруг оси, как у стержня, который закручивают за концы. Эти названия описывают разные способы изменения взаимного положения частей тела.

Одно тело может испытывать сразу несколько видов деформации, поскольку сила способна по-разному воздействовать на его части. Когда доска прогибается, её продольная ось искривляется, то есть возникает изгиб. Одновременно одни участки доски растягиваются, а другие сжимаются. Поэтому виды деформации не всегда встречаются по отдельности.

Виды деформации твёрдых тел

Сначала установи, как изменилось тело: удлинилось, укоротилось, искривилось или его части сместились и повернулись. Затем соотнеси наблюдение с соответствующей строкой таблицы. Если замечаешь несколько изменений, у тела могут одновременно возникать разные виды деформации.

Разбор задач

Резиновая лента

Резиновую ленту растянули и отпустили. Нужно определить вид деформации и выяснить, была ли она упругой или пластической. Для этого важно разделить два вопроса: как менялась лента под действием силы и что произошло после её прекращения.

1. Лента стала длиннее, значит, по характеру изменения длины возникло растяжение.
2. После того как ленту отпустили, сравним её форму с первоначальной.
3. Если она вернулась к прежней длине, деформация была упругой; если осталась удлинённой, изменение пластическое.

Ответ: вид деформации — растяжение. Если лента восстановила исходную длину, деформация упругая; если сохранила удлинение, пластическая.

Пружина с грузом

К пружине подвесили груз, и она удлинилась. Нужно назвать вид деформации и описать, что произойдёт после снятия груза. Само удлинение показывает характер изменения тела, а его поведение без груза позволяет определить упругость.

1. Из-за подвешенного груза длина пружины увеличилась, следовательно, возникло растяжение.
2. Снимем груз и проверим, вернулась ли пружина к первоначальной длине.
3. Если вернулась, деформация была упругой; если удлинение сохранилось, она была пластической.

Ответ: пружина испытывает растяжение. После снятия груза она восстановит прежнюю длину при упругой деформации, а при пластической останется удлинённой.

Доска под грузом

Доска опирается концами на опоры, а на неё поставили тяжёлый груз. Нужно описать изменение формы и установить, какие наблюдения позволят отличить упругую деформацию от пластической. Для этого рассматривают доску сначала под нагрузкой, а затем без неё.

1. Если середина доски прогнулась, её продольная ось искривилась — это изгиб.
2. После снятия груза проверим, выпрямилась ли доска и вернулась ли к исходной форме.
3. Возврат к первоначальному состоянию означает упругую деформацию; оставшийся прогиб — пластическую.

Ответ: под грузом доска деформируется изгибом. О характере деформации судят по тому, исчез ли прогиб после снятия нагрузки.

Типичные ошибки

Ошибка — считать, что упругой бывает только деформация резины. Так думают, потому что резиновую ленту легко растянуть и увидеть её возвращение. Но упругость определяют не по названию материала, а по восстановлению формы; проверь, что происходит с телом после снятия силы.

Изменение формы под нагрузкой ещё не означает, что деформация пластическая. Путаница возникает, если не учитывать, что нагрузку можно снять и тело может восстановиться. Сравни форму до воздействия и после его прекращения: сохранившееся изменение указывает на пластическую деформацию.

Растяжение и сжатие иногда путают, потому что оба вида связаны с длиной тела. Проверка проста: при растяжении длина увеличивается, а при сжатии уменьшается. Перед ответом сравни длину тела до воздействия и во время него.

Неверно считать виды деформации взаимоисключающими. Такое впечатление может возникнуть, если описывать только самое заметное изменение тела. При изгибе части тела также растягиваются или сжимаются, поэтому проверь, не происходит ли одновременно несколько изменений.

Связь с другими темами

Для понимания деформации нужно знать, что сила возникает при взаимодействии тел и может менять их состояние и движение. Однако здесь важно проследить также за изменением формы или размеров тела. Представления об упругой и пластической деформациях понадобятся при изучении упругой силы и закона Гука. Виды деформации помогают объяснять работу деталей машин, строительных конструкций и простых механизмов.

Что запомнить

• Деформация — изменение формы или размеров тела.
• Деформацию вызывают внешние силы.
• Упругая деформация исчезает после прекращения действия силы.
• Пластическая деформация сохраняется после снятия нагрузки.
• Основные виды деформации: растяжение, сжатие, изгиб, сдвиг и кручение.
• При одном воздействии возможно сочетание нескольких видов деформации.