Физика для любознательных. Том 1. Материя. Движение. Сила

ЗАДАЧИ ПО ТЕОРИИ УПРУГОСТИ

Введение

Как и пружины, проволока или стержни из твердого материала (подобно стали), будучи нагруженными, удлиняются. До определенного предела удлинение прямо пропорционально нагрузке. Это пример общего правила, названного законом Гука в честь совершенного им открытия. Пределу, за которым это простое отношение нарушается, присвоено название предел пропорциональности (предел действия закона Гука).

Предел упругости — состояние, после которого образец непрерывно изменяется. Некоторые вещества при нагрузке, превышающей предел упругости, внезапно обнаруживают большую текучесть. Эта точка называется пределом текучести.

При еще большей нагрузке образец разрушается. Эта точка, называемая пределом прочности, расположена вблизи предела текучести (если такое же имеется).

Как инженерам, так и физикам чрезвычайно важно знать предел прочности, предел текучести, предел упругости, предел пропорциональности и зависимость между нагрузкой и деформацией в области действия закона Гука. Здравый смысл вам подскажет, как предсказать некоторые из этих параметров для проволоки и стержней одного размера, если вы располагаете экспериментальными данными по нескольким другим размерам. Задачи, приведенные ниже, указывают, как это сделать. (Для обозначения «изменяется прямо пропорционально» или «пропорционально» пользуйтесь символом ~.)

Разрушающие силы

Задача 1

Предположим, что разрушающая сила для данной проволоки равна 45,4 кГ. Разрушающая сила для пучка из четырех таких проволок, связанных вместе, будет равна ___ кГ. Если все четыре проволоки сплавить вместе в одну толстую проволоку (не изменяя длины), то следует ожидать, что эта толстая проволока также будет разрушена силой ___ кГ.

Площадь поперечного сечения толстой проволоки в ___ раз больше соответствующей площади одинарной исходной проволоки.

Это рассуждение, сделанное на основе здравого смысла, позволяет предположить, что отношение между разрушающей силой F_В и площадью поперечного сечения А проволоки или стержня, по-видимому, должно быть

________ _{(напишите алгебраическое выражение, используя знак ~)}

Задача 2

а) Имеются стержни квадратного сечения: небольшой, размером 25,4х25,4 мм², и крупный, размером 50,8х50,8 мм

². Разрушающая сила для крупного стержня должна быть в раз больше. Вообще отношение между разрушающей силой F_В и шириной w квадратного стержня должно быть

________ _{(напишите алгебраическое выражение, используя знак ~)}

б) Имеются стержни или проволока круглого сечения. (Вспомните: площадь круга равна πr², или πd²/4, где d — диаметр круга.)

Если мы увеличим диаметр круга в 2 раза, то удваивается и радиус, а площадь круга увеличивается в ___ раз.

Если мы увеличим диаметр круга в 10 раз, то его площадь увеличится в ___ раз.

Вообще соотношение между диаметром d и площадью А для круга равно ___. Отсюда соотношение между разрушающей силой F_В и диаметром d для стержней и проволоки должно быть

________ _{(напишите алгебраическое выражение, используя знак ~)}

Задача 3

Поработайте над интересным приложением описанной методики к вопросу о размерах слонов. Мамонты, вымерли, быть может, потому, что были слишком тяжелы для своих собственных ног. Животное такой же формы, но построенное по удвоенной шкале так, что по сравнению с мамонтом его высота, длина и ширина вдвое больше, имеет объем больше в ___ раз, поэтому оно весит в ___ раз больше, если состоит тоже из мяса и костей. Однако ноги этого нового животного вдвое большего диаметра только в ___ раз сильнее. Таким образом, имеется предел для безопасных размеров животного. Должно ли это ограничение относиться и к китам? ___ Почему? ___

Задача 4

Допустим, что проволока в 2 раза длиннее испытываемого образца и к ней подвешен точно такой же разрушающий груз. Сила передается вдоль всей удвоенной длины, и разрушение произойдет, по-видимому, так, как и прежде. (Мы, конечно, понимаем, что разрушающая сила не увеличится вдвое, как не следует ожидать и того, что длинная проволока будет разрушена вдвое меньшей силой. Если, как это часто случается, разрыв произойдет в каком-то ослабленном месте, то на длинной проволоке более вероятно найти слабое место. В последнем случае более длинная проволока может легче разрушиться, но, отвечая на поставленный ниже вопрос, вы, не должны принимать во внимание этот довод.)

Каково отношение между длиной проволоки l и разрушающей силой F?

Напряжение

Задача 5

Просмотрев ответы на заданные вопросы, вы увидите, что, когда мы имеем дело с проволокой и стержнями разных размеров, но из одного материала, вопрос о том, разорвется ли проволока, определяется не только величиной приложенной силы (нагрузки), но и площадью поперечного сечения проволоки.

Для проволоки различных размеров разрушающая сила различна; но отношение (или дробь) (разрушающая сила)/(площадь поперечного сечения) должно быть одинаковым для всех образцов. Основываясь на ваших предыдущих ответах, согласны ли вы с этим? ___ Поэтому приведенное отношение открывает путь для определения той величины нагрузки, которую должен испытать материал, чтобы он разрушился (это относится больше к данному виду материала, чем к отдельному стержню). Отношение (разрушающая сила)/(площадь поперечного сечения) называется пределом прочности.

Пользуясь понятием напряжения, мы можем принимать решения, независимые от формы и размеров образца. Так, зная предел прочности материала, мы можем вычислить разрушающую силу для какого-либо отдельного стержня или отрезка проволоки.

Задача 6

Напряжение, вычисленное как отношение (сила)/(площадь), может служить главным мерилом качества обработки, которой подвергся материал. Нагрузки, соответствующие пределу пропорциональности, пределу упругости, пределу текучести, в большой степени следуют тем же отношениям, что и разрушающая нагрузка, хотя и различны по величине. Таким образом, существуют напряжения, соответствующие пределу текучести, пределу пропорциональности и т. д.

Если все нагрузки измеряются в кГ, а все диаметры в мм, то каждое из этих напряжений должно измеряться в ___ (единицы).

Если силы измерять в ньютонах, диаметры — в метрах, то все напряжения будут в ___ (единицы).

Эти единицы служат, кроме того, еще для измерения _? _.

Область применения закона Гука

Задача 7

Для удлинений по закону Гука мы можем опять представить себе связку проволок, скрученных в одну толстую проволоку. Исходя из этого, мы обосновываем способ определения силы, необходимой для того, чтобы произвести определенное удлинение, отнесенное к диаметру проволоки.

Чтобы связка из четырех проволок получила такое же удлинение, требуется сила, большая в ___ раз.

Площадь поперечного сечения такой связки, сплавленной в одну проволоку, будет в ___ раз больше.

Отсюда отношение между силой F, потребной для определенного удлинения, и площадью поперечного сечения А должно быть равно _? _ _? _.

Для проволоки круглого сечения отношение между силой F (для определенного удлинения) и диаметром d должно быть равно _? _ ~ _? _.

Задача 8

Отношение (растягивающая сила)/(площадь поперечного сечения) действительно определяет удлинение для данного материала. Мы называем это отношение напряжением. Тогда, если одинаковое напряжение приложено к проволокам разных диаметров, но одной и той же длины и сделанным из одинакового материала, удлинение для всех этих проволок должно быть одинаковым.

Объясните кратко, почему: ___

Задача 9

В пределах области действия закона Гука удвоение длины проволоки дает как бы две проволоки, каждая из которых будет растягиваться с первоначальным удлинением. Таким образом, общее удлинение при той же нагрузке будет в ___ раз больше.

Вообще отношение между удлинением Δl и длиной l проволоки для нескольких разных проволок из того же материала, несущих одинаковую нагрузку, будет ___.

Деформация

Задача 10

Рассматривая поведение проволоки различной длины, мы видим, что отношение (удлинение)/(длина) должно быть одинаковым для всех проволок из одного и того же материала при том же напряжении, хотя длина проволок различна. Считаете ли вы это утверждение рискованным? приемлемым? по-видимому, правильным? правильным? ___

Это отношение называется деформацией. Пользуясь им, мы можем отвлечься от длины образца и установить характеристику самого материала. Если мы измеряем удлинение и длину в миллиметрах то деформация должна измеряться в ___ _{(единицы)}.

Модуль

Задача 11

Инженерам и физикам часто бывает необходимо знать упругие свойства материала в определенном виде, пригодном для разнообразных форм и размеров образцов и разнообразных прилагаемых сил. С этой целью мы используем:

напряжение, которое представляет собой отношение

СИЛА/ПЛОЩАДЬ (к которой она приложена)

вместо собственно силы (нагрузки);

деформацию, представляющую собой отношение

ИЗМЕНЕНИЕ ДЛИНЫ (или соответствующего размера)/ПЕРВОНАЧАЛЬНАЯ ДЛИНА (или соответствующий размер)

вместо собственно изменения длины.

Тогда в пределах действия закона Гука, где простейшим утверждением является

УДЛИНЕНИЕ ~ НАГРУЗКА [или (НАГРУЗКА)/(УДЛИНЕНИЕ) = соnst],

мы получаем более обобщенное отношение, которое, подобно отношению (нагрузка)/(удлинение), постоянно. Но это обобщенное отношение не зависит ни от формы, ни от размера используемого образца. Оно одинаково для всех образцов данного материала. Чтобы вывести обобщеннов отношение, мы используем напряжение и деформацию вместо нагрузки и удлинения. Теперь мы можем представить закон Гуна в общей, итоговой форме:

?/? = const

Эта постоянная называется модулем. Чем легче вещество растягивается (или сжимается), тем

___________ должен быть его модуль.

_{(больше?/меньше?)}