Сила упругости

На горизонтальном столе лежит шар. Как и на всякое тело, на него действует сила тяжести \(F_{т}\). Но почему он не падает вниз? Этому препятствует опора (крышка стола). В чем выражается действие опоры на лежащее на ней тело?

На странице «Сила» можно узнать, что приложенная к телу сила (даже очень большая) не вызывает изменения скорости движения тела, если она скомпенсирована (уравновешена) приложенной к нему противоположно направленной другой силой. Как возникает эта другая сила? В приведенном примере шар, притягиваясь Землей, давит на крышку стола. Сила давления \(F_{д}\) приложена к крышке стола и направлена вниз. Действуя на крышку, эта сила прогибает ее, т. е. деформирует крышку, хотя данная деформация и не заметна для глаз.

Вас не должно удивлять утверждение, что любая, даже незначительная, сила давления (например, сила давления мухи, севшей на стол) вызывает деформацию. Деформации поверхности стола, на которую давит гиря, не видно. Но попробуйте положить под гирю поролон, и вы заметите его прогиб, т. е. деформация станет очевидной.

Вернемся к примеру с шаром. Деформированная опора, стремясь распрямиться, действует на шар с силой, направленной вверх, - силой упругости. Именно сила упругости \(F_{упр}\) и компенсирует действие силы тяжести \(F_{т}\).

Проделаем еще один опыт. Подвесим шар к пружине, укрепленной на штативе. Шар, притягиваясь к Земле, движется и растягивает (деформирует) пружину. Деформирующая сила \(F_{деф}\) приложена к пружине и направлена вниз. Но движение шара не продолжается неограниченно. Что же препятствует движению?

Как и в случае с лежащим шаром, сила упругости \(F_{упр}\). Она приложена к висящему шару, направлена противоположно деформирующей силе и равна ей по числовому значению. А теперь поместим шар на пружину сверху. Пружина сожмется под действием силы давления \(F_{д} = F_{деф}\), приложенной к ней. Препятствовать движению шара будет сила упругости \(F_{упр}\), с которой пружина действует на шар.

Итак, сила, действующая на тело со стороны деформированной опоры или подвеса, называется силой упругости.

Вы заметили закономерность? Сила упругости \(F_{упр}\) приложена к телу, вызвавшему деформацию опоры или подвеса. Она противоположна по направлению и численно равна деформирующей силе \(F_{деф}\). Но стоит убрать деформирующую силу - и растяжение, сжатие или прогиб исчезают, т. е. деформированное тело (пружина, стол) восстанавливает свои первоначальные размеры и форму.

Иногда после действия большой деформирующей силы тело не возвращается к первоначальной форме. Например, покупая в магазине батон, вы определяете его свежесть, деформируя специальной ложкой. При действии на батон небольшой силы он после снятия воздействия восстанавливает форму, но если вы переусердствуете, нажимая ложкой, батон так и не сможет избавиться от своего непривлекательного деформированного вида.

Поскольку сила упругости возникает в ответ на воздействие (опора, подвес реагируют на воздействие), то силу упругости часто называют еще силой реакции.

Главные выводы:

  1. Сила упругости (сила реакции) возникает в ответ на действие деформирующей силы.
  2. Сила упругости приложена к телу, вызвавшему деформацию опоры или подвеса.
  3. Сила упругости противоположна деформирующей силе, но их модули равны.

Читать далее