Сила упругости

Дано определение силы упругости и расчет её численного значения, подробно рассмотрена природа силы упругости. Приведены примеры использования силы упругости в области физической культуры и спорта.

Сила упругости (наука и практика)

Определение

Сила упругости (F_упр) – векторная величина, это сила, возникающая внутри тела и препятствующая его упругой деформации (рис.1).

Численное значение (модуль) силы упругости

Численное значение силы упругости рассчитывается по формуле:

F_упр = kΔl

где: k — коэффициент, который зависит только от материала и размеров тела; Δl — изменение длины тела, то есть разность между начальной (l₀) и конечной длиной (l): Δl = l-l₀.

Направление силы упругости

Сила упругости направлена в сторону, противоположную деформации тела. На рис. 1 представлено увеличение длины пружины под действием силы тяжести (более точно, под действием веса гири). В этом случае, сила упругости направлена в сторону, противоположную удлинению пружины.

Точка приложения силы упругости

За точку приложения силы упругости принимается место, где деформируемое тело соприкасается с телом, которое его деформирует. Например, место контакта пружины и гири (рис.1).

Природа силы упругости

Как известно, все тела состоят из молекул и атомов, которые в свою очередь, состоят из электронов и атомных ядер, то есть заряженных частиц (электроны заряжены отрицательно, а ядра — положительно). Поэтому между молекулами тел одновременно действуют силы притяжения и отталкивания. Численные значения этих сил зависят от расстояния между молекулами. На расстоянии, примерно равном диаметру молекулы, силы притяжения между молекулами компенсируются силами отталкивания.

При растяжении тела расстояние между молекулами увеличивается, и силы притяжения между молекулами начинают превосходить по модулю силы отталкивания. Поэтому между молекулами начинают действовать силы притяжения, препятствующие растяжению тела.

При сжатии тела, расстояние между молекулами уменьшается, вследствие этого между ними начинают преобладать силы отталкивания, препятствующие сжатию тела.

Таким образом, при растяжении или сжатии тела в нем возникают электромагнитные по своей природе силы, препятствующие изменению размеров тела. Это и есть сила упругости. При исчезновении деформации тела, исчезает и сила упругости.

Сила упругости и сила реакции опоры

Если тело под действием силы тяжести давит на опору, эта сила называется весом тела и обозначается буквой Р. Опора, в свою очередь, воздействует на тело с той же силой. Эта сила носит название силы реакции опоры, нормальная составляющая которой обозначается буквой N (рис.2). Сила реакции опоры является частным случаем силы упругости.

Сила упругости и напряжение

Если разделить силу упругости на площадь поперечного сечения тела (S), получим величину, называемую напряжением (σ — «сигма»).

σ= F_упр÷S

Практика

Физическая культура и спорт

В области физической культуры и спорта, а также фитнеса активно применяются резиновые амортизаторы и ленты различной жесткости (рис. 3). В спортивной гимнастике и прыжках в воду активно эксплуатируются  упругие мостики,  в акробатике — батуты и упругие покрытия. В спортивных играх (футболе, волейболе, теннисе) техника удара учитывает упругие свойства мячей. Сила упругости используется в теннисных ракетках, не говоря уже о спортивной обуви, которая активно применяет  наработки из теории упругости. В пружинных часах и пружинных  динамометрах также используется сила упругости.

С уважением, А.В.Самсонова