25
Физика 8, 9, 10
Публикуемая книга заметка «Сила и деформация» предназначена восемиклассик, заметка «О силах поверхностного натяжения» — девятиклассик и «Энергия и громкость звука» — десятиклассик.
Материалы подготовил И. К. Белкин.
Сила и деформация
Слово «сила» — одно из наиболее употребляемых слов. В обидном языке оно может иметь самые значные значения. Но в механике смысл этого слова в полне ясен. Все, что можно сказать о механической силу вообше, содержится в законах Ньютона.
В законе, числящемся под номером три, говорится, что сила, а точнее, сны возникают при взаимодействии тел. Из второго закона Ньютона следует, что сила — это причина ускорения тел, то есть изменения их скорости. Наконец, первый закон Ньютона утверждает, что при отсутствии сил или при равенстве нулю геометрической суммы приложенных к телу сил оно, тело, движется без ускорения. Все три закона формулированы для случая, когда движение рассматривается относительно инерциальной системы отчета.
Казалось бы, роль сны в механике ясна: сила сообщает телу, к которым она приложена, ускорение. Согласно законам механики, это ее единственная «специальность».
Между тем иногда встречаются (далее в учебниках физики) утверждения о том, что сила не только сообщает телу ускорение, но и деформирует его. В первом случае говорят о динамическом, а во втором — о статическом проявлении сил. Так, в одном из учебных пособий, рекомендованных старшеклассникам, читаем: «Результатом взаимодействия тел является либо деформация (изменение размеров или формы тела), либо ускорение (изменение величины или направления скорости). Конечно, не исключаено, что одновременно могут возникать и деформации, и ускорения». Еще пример. В учебнике для высшей шкols, пользоваться всемирной известностью, сила определяется следующими словами: «Понятие „сила“ происходит от нашего muscularного ощущения. Качественное сила определяется двумя признаками: она может деформировать неподвижное твердое тело и ускорять подвижное тело». В других книгах читаем: «Силой называется то, что вызывает или прекращает движение, изменяет направление движения или изменяет форму тела» или «сила — векторная величина, характеризующая взаимодействие тел, в результате которого тела деформируется или прибретают ускорения… Статическое действие силы проявляется в наличии деформаций, динамическое — в наличии ускорений». Число таких примеров можно увеличить, хотя в большинстве современных книг по физике силу деформацией неосредственно не связывается.
Как же, в самом деле, связаны между собой силы, ускорения и деформации?
Сила — причина ускорения. Поэтому еще раз, что в трех законах Ньютона, с помощью которых может быть решена любая механическая задача, нет и намека на такое явление, как деформация тела. Да и не может быть, потому что законы Ньютона относятся к движению материалов точек (это постоянное подвергивание в ускорении «Физика 8»). А точки, разумеется, деформироваться не могут! Уже отсюда следует, что сили, в соответствии с законами Ньютона, следует рассматривать как причину ускорения и только ускорения.
26
Однако связыва между силой и деформацией действительного существуют. Прежде всего она состоит в том, что одна из трех расстатриаемых в учебнике механических сил — сила упругости — возникает именно при деформации тел. Но ведь это означает, что сила (по крайней мере сила упругости) есть следствие деформации. Как же тогда понимать приведенные выше утверждения о том, что сила — это причина деформации? Быть может, они просто не имеют смысла? Чтоы ответить на эти вопросы, вспомним.
Как возникают деформации? Deформация — это изменения формы или размеров тела. Они невозможны без изменения взаимного расположения части тела. При деформации растяжения, например, расстояния между частицами тела увеличивается, частицы удляются друг от друга. При скатин тела его частицы, наоборот, сближаются. Таким образом, непосредственная причина деформации — это движения части тела относительно других. Движения, а не силы!
Но и силы играют существенно роль, потому что именно они зависят те движения, которые приводят к деформации тела. Однако роль丝 не прямая, а косвенная. Сила неосредственно не вызывает деформации.
И деформация, и ускорение. Расстояним более подробно, каким образом сила, приложенная к телу, сообщает ему ускорение и какую роль при этом играет деформация.
Допустим, что к телу массой , имеющей ускорение, например, форму стержня, приложена постоянная сила так, как это показано на рисунке 1. Оговорим только, что — не сила всемирного тяготения. Поскольку сила приложена к правому торцу стержня, она неосредственно сообщит ускорение лишь точкам (частицами) на этом торце. Только они, эти точки, и получат ускорение
Рис. 1
Таким образом, в рассмотрении случае тела под действием приложенной к нему силы движется с ускорением и при этом оказывается деформированным. В том, что тело деформировано, «виновага», конечно, и сила , но ее роль не примая. Тело оказываясь деформированным, поскольку разные его точки движались относительно друг друга. То, что роль силы при деформации лишь косвенная, видно уже из того, что величины и характер деформации не определяются однозначно приложенной силой, а зависит и от материалов стержня, и от однородности его по секению и составу. Ускорение же стержня однозначно определяется действующей на него силой.
Ускорение без деформации. Важно отметить также, что сила, приложенная к телу, может и не вызвать деформацию. Если сила — сила тяжести (вообще, сила всемирного тяготения), то картина движения будет совсеминой. Сила тяжести, как известно, действуют сразу на все точки тела и сообщают им одно и то же ускорение . Поэтому все точки будут движаться одинаково, так что движения одних точки относительно других не будут. Не будет, следовательно, и деформации.