12. СИЛА УПРУГОСТИ

Вблизи поверхности Земли на любое тело действует сила тяжести, однако большинство тел вокруг нас не падают с ускорением, а находятся в покое. Неподвижны книга, лежащая на столе, и стол, стоящий на полу.

Книга на столе неподвижна, — значит, кроме силы тяжести, на нее действуют другие силы и равнодействующая всех сил равна нулю.

Какие же это силы и как они возникают?

Выполним следующий опыт. Положим стальную линейку на лапки штативов таким образом, чтобы линейка была расположена горизонтально. Против середины стальной линейки установим демонстрационную линейку и заметим по ее шкале начальное положение середины стальной линейки.

Затем подвесим к середине стальной линейки небольшую гирю. Мы увидим, что стальная линейка изогнется. Неподвижность гири показывает, что сила тяжести, действующая на нее со стороны Земли, уравновешена равной по модулю и противоположно направленной силой, возникающей при деформации линейки (рис. 34).

Сила, возникающая в результате деформации тела и направленная в сторону, противоположную перемещениям частиц тела при деформации, называется силой упругости.

Опыты по растяжению и сжатию твердых стержней показали, что при малых по сравнению с размерами тел деформациях

модуль силы упругости прямо пропорционален модулю вектора перемещения свободного конца стержня. Направление вектора силы упругости противоположно направлению вектора перемещения при деформации (рис. 35). Поэтому для проекции силы упругости на ось направленную по вектору перемещения, выполняется равенство

где х — удлинение стержня.

Связь между проекцией силы упругости и удлинением тела была установлена экспериментально английским ученым Робертом Гуком (1635—1703) и поэтому называется законом Гука.

Сила упругости, возникающая при деформации тела, пропорциональна удлинению тела и направлена в сторону, противоположную направлению перемещений частиц тела при деформации.

Коэффициент пропорциональности в законе Гука называется жесткостью тела. Жесткость тела зависит от формы и размеров тела и от материала, из которого оно изготовлено. Жесткость в СИ выражается в ньютонах на метр (Н/м).

Выясним природу сил упругости. В состав атомов и молекул входят частицы, обладающие электрическими зарядами. Атомы в твердом теле расположены таким образом, что силы отталкивания одноименных электрических зарядов и притяжения разноименных зарядов уравновешивают друг друга. При изменениях взаимных положений атомов или молекул в твердом теле в результате его деформации электрические силы стремятся возвратить атомы в первоначальное положение. Так при деформации возникает сила упругости.

Силы взаимодействия электрических зарядов называются электромагнитными силами. Так как силы упругости обусловлены взаимодействиями зарядов, по своей природе они являются электромагнитными силами.