|
Разделы Физики
КИНЕМАТИКА
ОСНОВЫ ДИНАМИКИ
СИЛЫ В ПРИРОДЕ
ЭЛЕМЕНТЫ СТАТИКИ
Законы сохранения в механике
Механические колебания
Волны
Молекулярно-кинетическая теория
Термодинамика
Электрическое поле
Постоянный электрический ток
Магнитное поле
Электромагнитные колебания и волны
Геометрическая оптика
Волновая оптика
Основы специальной теории относительности
Квантовая физика
Физика атома и атомного ядра
Молекулярно-кинетическая теория
3.1 Основные положения МКТ
3.2 Основное уравнение МКТ газов. Температура
3.3 Уравнение состояния идеального газа. Изопроцессы
3.4 Испарение, конденсация, кипение. Насыщенные и ненасыщенные пары
3.5 Свойства жидкостей. Поверхностное натяжение
3.6 Кристаллические и аморфные тела
3.7 Деформация
|
|
3.7. Деформация
В твердых телах – аморфных и кристаллических – частицы (молекулы, атомы,
ионы) совершают тепловые колебания около положений равновесия, в которых
энергия их взаимодействия минимальна. При увеличении расстояния между
частицами возникают силы притяжения, а при уменьшении – силы отталкивания
(см. §3.1). Силы взаимодействия между частицами обусловливают механические
свойства твердых тел.
Деформация твердого тела является результатом изменения под действием
внешних сил взаимного расположения частиц, из которых состоит тело, и
расстояний между ними.
Существует несколько видов деформаций твердых тел. Некоторые из них
представлены на рис. 3.7.1.
1
|
| Рисунок 3.7.1.
Некоторые виды деформаций твердых тел: 1 – деформация растяжения;
2 – деформация сдвига; 3 – деформация всестороннего
сжатия.
|
Простейшим видом деформации является деформация растяжения или сжатия. Ее
можно характеризовать абсолютным удлинением Δl, возникающим под
действием внешней силы
Связь между Δl и F
зависит не только от механических свойств вещества, но и от геометрических
размеров тела (его толщины и длины).
Отношение абсолютного удлинения Δl к первоначальной длине
l образца называется
относительным удлинением или относительной деформацией
ε:
При растяжении
ε > 0, при сжатии ε < 0.
Если принять направление внешней силы, стремящейся удлинить образец, за
положительное, то
F > 0 при деформации растяжения и
F < 0 – при сжатии. Отношение модуля внешней силы
F к площади S
сечения тела называется механическим напряжением σ:
За единицу механического напряжения в СИ принят паскаль (Па).
Механическое напряжение измеряется в единицах давления.
Зависимость между ε и σ является одной из
важнейших характеристик механических свойств твердых тел. Графическое
изображение этой зависимости называется диаграммой растяжения. По оси
абсцисс откладывается относительное удлинение ε, а по оси
ординат – механическое напряжение σ. Типичный пример диаграммы
растяжения для металлов (таких как медь или мягкое железо) представлен на
рис. 3.7.2.
2
|
| Рисунок 3.7.2.
Типичная диаграмма растяжения для пластичного материала. Голубая
полоса – область упругих деформаций.
|
При малых деформациях (обычно существенно меньших 1 %) связь между σ
и
ε оказывается линейной (участок OA на диаграмме). При
этом при снятии напряжения деформация исчезает. Такая деформация называется
упругой. Максимальное значение σ = σпр, при котором
сохраняется линейная связь между σ и ε, называется
пределом пропорциональности (точка A). На линейном участке
выполняется закон Гука:
Коэффициент
E в этом соотношении называется
модулем Юнга.
При дальнейшем увеличении напряжения связь между σ и ε
становится нелинейной (участок AB). Однако при снятии
напряжения деформация практически полностью исчезает, то есть
восстанавливаются размеры тела. Максимальное напряжение на этом участке
называется
пределом упругости.
Если σ > σупр, образец после снятия напряжения уже
не восстанавливает свои первоначальные размеры и у тела сохраняется
остаточная деформация
εост. Такие деформации называются
пластическими (участки BC,
CD и DE). На участке BC деформация
происходит почти без увеличения напряжения. Это явление называется
текучестью
материала. В точке D достигается наибольшее напряжение σmax,
которое способен выдержать материал без разрушения (предел прочности).
В точке
E происходит разрушение материала.
Материалы, у которых диаграмма растяжения имеет вид, показанный на
рис. 3.7.2, называются
пластичными. У таких материалов обычно деформация
εmax, при которой происходит разрушение, в десятки раз
превосходит ширину области упругих деформаций. К таким материалам относятся
многие металлы.
Материалы, у которых разрушение происходит при деформациях, лишь
незначительно превышающих область упругих деформаций, называются хрупкими
(стекло, фарфор, чугун).
Аналогичным закономерностям подчиняется и деформация сдвига
(рис. 3.7.1 (2)). В этом случае вектор силы
направлен по касательной к поверхности образца. Относительная деформация
определяется безразмерным отношением Δx / l, а напряжение –
отношением F / S
(сила, действующая на единицу площади поверхности). При малых деформациях
Коэффициент пропорциональности G в этом отношении называется
модулем сдвига. Модуль сдвига для большинства твердых материалов в
2–3 раза меньше модуля Юнга. Например, у меди E = 1,1·1011 Н/м2,
G = 0,42·1011 Н/м2. Следует помнить, что у
жидких и газообразных веществ модуль сдвига равен нулю.
На рис. 3.7.1 (3) показана деформация всестороннего сжатия
твердого тела, погруженного в жидкость. В этом случае механическое
напряжение совпадает с давлением p в жидкости. Относительная
деформация определяется как отношение изменения объема ΔV
к первоначальному объему V тела. При малых деформациях
Коэффициент пропорциональности B в этой формуле называется
модулем всестороннего сжатия.
Всестороннему сжатию могут подвергаться не только твердые тела, но и
жидкости и газы. У воды
B = 2,2·109 Н/м2, у стали B = 1,6·1011 Н/м2.
На дне Тихого океана, на глубине порядка 4 км, давление
p приблизительно равно 4·107 Н/м2.
В этих условиях относительное изменение ΔV / V
объема воды составляет 1,8 %, в то время как для стального тела
оно составляет всего лишь 0,025 %, то есть в 70 раз
меньше. Твердые тела с их жесткой кристаллической решеткой значительно менее
сжимаемы по сравнению с жидкостями, атомы и молекулы которых не так сильно
связаны со своими соседями. Сжимаемость газов на много порядков выше, чем у
жидкостей и твердых тел.
Величина модуля всестороннего сжатия определяет скорость звука в
данном веществе (см. §2.7).
Информация о строительстве. Отзывы о дизель генераторах (Екатеринбург ). Требуется строительство?Квалифицированная аренда - снять квартиру в Египте на лето совсем несложно.Паркет развитие паркет, Лапачо.
смена по ремонт сотовых при курьере
курс трейдер аналитик
|
