§ 60. Силы, возникающие при деформациях. Упругие и пластические деформации

В предыдущем параграфе был рассмотрен вопрос о том, что может возникнуть в результате движения отдельных частей, составляющих тело. Теперь естественно поставить следующий вопрос: почему и когда могут возникнуть эти движения частей тела?

Каждая часть тела имеет определенную массу. Поэтому (на основании второго закона Ньютона) для возникновения ее движения обязательно должна быть какая-то сила, которая может вызвать движение этой части. Следовательно, движения частей тел и деформации могут появляться только тогда, когда изменяются механические условия, в которых находится данное тело.

В земных условиях все покоящиеся тела немного деформированы по сравнению со свободным состоянием потому, что каждая частица любого тела подвергается действию сил тяжести. Любая вышележащая часть тела давит на нижележащую и деформирует ее. Поэтому всякое тело, находящееся на Земле, и нижней части оказывается более сжатым, чем в верхней. Дальше мы не будем обращать внимание на то, что уже сделала сила тяжести, и рассмотрим только те дополнительные деформации, которые создаются другими внешними воздействиями (кроме силы тяжести).

Мы сами можем действовать на наружную поверхность тела и приводить в движение только его наружные слои. Внутренние же слои могут приводиться в движение действием только соседних слоев (частей).

Опыт показывает, что действия отдельных частей тел друг на друга носят разный характер. Сделаем две пружины (одну из хорошей стали, другую — из мягкой красной меди) и будем растягивать их.

Если прикрепить груз к стальной пружине, то она растянется на определенную величину. При увеличении (или уменьшении) груза растяжение пружины будет соответственно увеличиваться (или уменьшаться). Каждой силе, действующей на конец пружины, отвечает совершенно определенное растяжение этой пружины. Если убрать силу, действующую на пружину, то пружина немедленно вернется в начальное состояние.

Итак, при действии внешних сил на стальную пружину наблюдаются следующие явления:

1. Растяжение пружины растет вместе с ростом внешних сил.

2. Силы, действующие между отдельными частями пружины, зависят от деформаций.

3. После устранения внешних сил деформации пружины исчезают, она возвращается в первоначальное состояние.

Если подействовать на медную пружину очень маленькой силой, то она будет вести себя так же, как и стальная. Но если увеличить силу, действующую на конец пружины, то обнаруживаются совершенно новые явления:

1. Под действием постоянной, достаточно большой силы пружина будет растягиваться до тех пор, пока не прекратится действие этой силы. Растяжение пружины будет зависеть не только от модуля силы, но и от времени ее действия.

2. Для того чтобы создать какое-нибудь определенное растяжение, нужны будут разные силы в зависимости от того, как быстро мы хотим создать это растяжение. Попробуйте растягивать мягкую медную пружину медленно; для этого потребуются не очень большие силы. Попробуйте ее растянуть на такую же длину быстро; для этого потребуются большие силы.

3. Если прекратить действие внешней силы, то медная пружина не вернется в начальное состояние. Она останется такой же растянутой, какой была к моменту окончания действия внешней силы.

Эти простые опыты говорят о том, что при деформации различных тел могут возникать силы взаимодействия между частями тел, которые подчиняются разным законам. По характеру этих сил все тела можно разбить на упругие и пластичные.

Упругими телами называются такие тела, у которых для изменения формы и объема необходимы силы, зависящие только от модуля деформации. После прекращения действия внешней силы такие тела приобретают первоначальную форму и объем.

Пластичными телами называются такие тела, у которых силы, необходимые для деформации, не связаны с модулем деформации, а зависит от того, насколько быстро создается деформация. Модуль деформации определяется временем действия силы. После прекращения действия силы тело не возвращается в первоначальное состояние, а сохраняет ту форму и объем, которые оно приобрело к моменту окончания действия внешней силы.

В соответствии с этим сами деформации тел разделяются на упругие и пластические.

Упругими деформациями называются деформации, полностью исчезающие после устранения внешних сил.

Пластическими деформациями называются деформации, полностью или частично сохраняющиеся после прекращения действия внешних сил.

Способность к упругим и пластическим деформациям зависит от: природы вещества, из которого состоит тело; условий, в которых

оно находится; способов его изготовления. Например, если взять разные сорта железа или стали, то у них можно обнаружить совершенно разные упругие и пластичные свойства. При обычных комнатных температурах железо является очень мягким, пластичным материалом; закаленная сталь, наоборот,— твердый, упругий материал. Пластичность многих материалов представляет собой необходимое условие для их обработки, для изготовления из них нужных детален. Поэтому она считается одним из важнейших технических свойств твердого вещества.