Sức mạnh và biến dạng

25

Vật lý 8, 9, 10

Cuốn sách đã xuất bản, “Lực và biến dạng,” dành cho tác phẩm kinh điển thứ tám, “Về lực căng bề mặt” dành cho tác phẩm kinh điển thứ chín, và “Năng lượng và độ ồn của âm thanh” dành cho tác phẩm kinh điển thứ mười.
Các tài liệu được chuẩn bị bởi I.K. Belkin.

Sức mạnh và biến dạng

Từ “sức mạnh” là một trong những từ được sử dụng nhiều nhất. Trong ngôn ngữ xúc phạm, nó có thể có ý nghĩa quan trọng nhất. Nhưng trong cơ học ý nghĩa của từ này hoàn toàn rõ ràng. Mọi điều có thể nói về lực cơ học nói chung đều có trong các định luật Newton.

Định luật số ba nói rằng sức mạnh, hay đúng hơn là giấc mơ, nảy sinh từ sự tương tác giữa các cơ thể. Từ định luật thứ hai của Newton, lực là nguyên nhân gây ra gia tốc của các vật, tức là làm thay đổi tốc độ của chúng. Cuối cùng, định luật thứ nhất của Newton phát biểu rằng khi không có lực hoặc khi tổng hình học của các lực tác dụng lên một vật bằng 0, thì vật đó chuyển động không có gia tốc. Cả ba định luật đều được xây dựng cho trường hợp chuyển động được coi là tương đối với hệ quy chiếu quán tính.

Có vẻ như vai trò của lực trong cơ học là rõ ràng: lực truyền gia tốc cho vật mà nó tác dụng. Theo định luật cơ học, đây là “chuyên môn” duy nhất của cô.

Trong khi đó, đôi khi có những phát biểu (sau này trong sách giáo khoa vật lý) cho rằng lực không chỉ truyền gia tốc cho một vật mà còn làm nó biến dạng. Trong trường hợp đầu tiên, họ nói về động lực, và trong trường hợp thứ hai, về biểu hiện tĩnh của lực. Vì vậy, trong một trong những cuốn sách giáo khoa dành cho học sinh trung học, chúng ta đọc: “Kết quả của sự tương tác giữa các vật thể là biến dạng (sự thay đổi về kích thước hoặc hình dạng của vật thể) hoặc gia tốc (sự thay đổi về độ lớn hoặc hướng của tốc độ). Tất nhiên, không loại trừ khả năng cả sự biến dạng và gia tốc đều có thể xảy ra đồng thời.” Một ví dụ khác. Trong sách giáo khoa dành cho các trường phổ thông được biết đến rộng rãi trên toàn thế giới, sức mạnh được định nghĩa như sau: “Khái niệm “sức mạnh” xuất phát từ cảm giác cơ bắp của chúng ta. Lực định tính được xác định bởi hai đặc điểm: nó có thể làm biến dạng một vật rắn đứng yên và tăng tốc cho một vật thể đang chuyển động.” Trong những cuốn sách khác, chúng ta đọc: “Lực là thứ gây ra hoặc dừng chuyển động, làm thay đổi hướng chuyển động hoặc thay đổi hình dạng của vật thể” hoặc “lực là một đại lượng vectơ đặc trưng cho sự tương tác của các vật thể, do đó các vật thể bị biến dạng hoặc thu được gia tốc… Tác dụng tĩnh của lực được biểu hiện khi có sự biến dạng, tác dụng động - khi có gia tốc.” Số lượng các ví dụ như vậy có thể tăng lên, mặc dù trong hầu hết các cuốn sách hiện đại về lực vật lý không liên quan trực tiếp đến sự biến dạng.

Trên thực tế, lực, gia tốc và biến dạng có liên quan với nhau như thế nào?

Lực là nguyên nhân gây ra gia tốc. Do đó, một lần nữa, trong ba định luật của Newton, với sự trợ giúp của nó, bất kỳ bài toán cơ học nào cũng có thể được giải quyết, không có gợi ý nào về hiện tượng như biến dạng của vật thể. Và điều đó là không thể, bởi vì các định luật Newton liên quan đến chuyển động của vật chất của các điểm (đây là sự tiếp xúc liên tục với gia tốc Vật lý 8). Và tất nhiên, các điểm không thể bị biến dạng! Từ đó suy ra rằng lực, theo định luật Newton, phải được coi là nguyên nhân gây ra gia tốc và chỉ là nguyên nhân gây ra gia tốc.

26

Tuy nhiên, mối liên hệ giữa lực và sự biến dạng của thực tế vẫn tồn tại. Trước hết, nó nằm ở chỗ một trong ba lực cơ học được thảo luận trong sách giáo khoa - lực đàn hồi - xuất hiện chính xác khi vật thể bị biến dạng. Nhưng điều này có nghĩa là lực (ít nhất là lực đàn hồi) là hệ quả của sự biến dạng. Vậy thì chúng ta nên hiểu câu nói trên rằng lực là nguyên nhân gây ra biến dạng như thế nào? Có lẽ chúng không có ý nghĩa gì? Chúng ta hãy nhớ cách trả lời những câu hỏi này.

Biến dạng xảy ra như thế nào? Biến dạng là sự thay đổi về hình dạng hoặc kích thước của cơ thể. Chúng không thể thực hiện được nếu không thay đổi vị trí tương đối của một bộ phận cơ thể. Ví dụ, trong quá trình biến dạng kéo, khoảng cách giữa các hạt của vật thể tăng lên, các hạt di chuyển ra xa nhau. Ngược lại, khi một vật thể quét, các hạt của nó lại gần nhau hơn. Như vậy, nguyên nhân trực tiếp của biến dạng là sự chuyển động của một bộ phận cơ thể so với các bộ phận khác. Chuyển động chứ không phải lực lượng!

Nhưng lực cũng đóng một vai trò không nhỏ, vì chúng là tác nhân quyết định các chuyển động dẫn đến biến dạng của vật thể. Tuy nhiên, vai trò này không phải trực tiếp mà là gián tiếp. Lực không trực tiếp gây biến dạng.

Cả biến dạng và gia tốc. Chúng ta hãy thảo luận chi tiết hơn về cách một lực tác dụng lên vật thể truyền gia tốc cho nó và biến dạng đóng vai trò gì trong việc này.

Chúng ta hãy giả sử rằng một lực không đổi $\vec{F}$ tác dụng lên một vật có khối lượng $m$, có gia tốc, ví dụ như hình dạng một cây gậy, như trong Hình 1. Chúng ta chỉ quy định rằng $\vec{F}$ không phải là lực của trọng lực phổ quát. Vì lực tác dụng vào đầu bên phải của thanh nên nó sẽ chỉ truyền trực tiếp gia tốc cho các điểm (hạt) ở đầu này. Chỉ có họ, những điểm này, mới nhận được khả năng tăng tốc

$$m \quad F$$

Hình 1

Vì vậy, khi xem xét trường hợp một vật thể, dưới tác dụng của một lực tác dụng lên nó, nó chuyển động với gia tốc và đồng thời bị biến dạng. Việc cơ thể bị biến dạng tất nhiên là “có lỗi” do lực $\vec{F}$, nhưng nó không phát huy được vai trò của nó. Cơ thể bị biến dạng khi các điểm khác nhau của nó di chuyển tương đối với nhau. Thực tế là vai trò của lực trong quá trình biến dạng chỉ là gián tiếp được thể hiện rõ ràng từ thực tế là độ lớn và tính chất của biến dạng không được xác định duy nhất bởi lực tác dụng mà phụ thuộc vào vật liệu của thanh và tính đồng nhất của nó trong mặt cắt ngang và thành phần. Gia tốc của thanh được xác định duy nhất bởi lực tác dụng lên nó.

Gia tốc mà không bị biến dạng. Cũng cần lưu ý rằng lực tác dụng lên vật có thể không gây biến dạng. Nếu lực là trọng lực (nói chung là lực hấp dẫn phổ quát), thì hình ảnh chuyển động sẽ hoàn toàn khác. Lực hấp dẫn, như đã biết, tác động ngay lập tức lên tất cả các điểm của cơ thể và truyền cho chúng cùng một gia tốc $\vec{g}$. Do đó, tất cả các điểm sẽ chuyển động theo cùng một cách, do đó sẽ không có sự chuyển động của một số điểm so với các điểm khác. Vì vậy sẽ không có hiện tượng biến dạng.