Сила упругости и деформация

Представим себе пружину, которую никто не трогает, и ничто на ней не подвешено. Если пренебречь ее весом, то можно сказать, что она не действует ни на какие тела никакой силой. Однако если пружину растянуть или сжать, то мы почувствуем силу, направленную против наших усилий. Эта сила будет «пытаться» вернуть пружину в исходное состояние. Что это за сила, и почему она возникает?

Эту возникающую силу называют силой упругости, а возникает она из-за деформации тела. Таким образом, когда какое-либо тело деформируется, в нем может возникать сила упругости. Под деформацией следует понимать изменение формы тела — сжатие, растяжение, кручение и другое. Но почему деформация может приводить к возникновению силы упругости? Для ответа на этот вопрос надо посмотреть, что происходит с молекулами или другими частицами вещества, из которых состоит тело.

Когда тело растягивается, то расстояние между частицами вещества увеличивается. Частицы начинают сильнее притягиваться друг к другу. Из-за появившейся дополнительной силы межмолекулярного притяжения возникает сила упругости в случае растяжения.

Когда тело сжато, то расстояние между частицами уменьшается. Это приводит к тому, что они начинают отталкиваться друг от друга. В данном случае силу упругости создают межмолекулярные силы отталкивания.

Если подвесить к пружине груз, то он своим весом заставит ее растянуться. Когда пружина начнет растягиваться под действием веса груза, в ней возникнет, а потом будет нарастать, сила упругости. В какой-то момент сила упругости станет равной весу тела, то есть силы уравновесятся, и пружина перестанет растягиваться далее.

Таким образом, на пружину действуют две силы направленные в противоположные стороны, но равные по численному значению (по модулю) — вес растягивающего ее тела и сила упругости, возникающая в самой пружине.

Примерно то же самое происходит, если положить на поверхность (например, стол) какой-либо предмет (например, толстую книгу). Книга будет действовать на стол своим весом, направленным к Земле. Стол под этим весом начнет деформироваться, в нем возникнет сила упругости, направленная против действия веса книги. Величина силы упругости возникнет именно такая, чтобы уравновесить вес книги. Не больше, не меньше. Если теперь на стол поставить еще принтер, то стол деформируется еще больше, в нем возникнет еще большая сила упругости. По модулю она будет равна весу принтера и книги.

Деформация стола и многих других предметов нам не заметны. Однако существуют опыты, доказывающие, что деформация происходит.

Сила упругости играет важную роль в нашем мире. Ведь если бы ее не было, мы бы проваливались к центру Земли, а книги ломали бы столы. Или может быть наоборот, ничего бы не растягивалось и не сжималось, и тогда никакое тело нельзя было бы изменить под действием силы или поломать.

Понятно, что сила упругости не обязательно возникает под действием веса другого тела. Другое тело может просто прикладывать свои силы, чтобы растягивать или сжимать тело. Например, человек может растягивать силой мышц резиновый жгут, или в каком-нибудь механизме его часть может то сжимать, то растягивать пружину. Здесь речь не идет о том, что сила упругости возникает в противовес весу других тел, она здесь возникает в противовес другим силам.

Однако, силу упругости, возникающую под действием веса другого тела, на которое действует сила тяжести (именно она приводит к возникновению у тела веса), выделяют особо. Такую силу упругости называют силой нормальной реакции. Ее обозначают большой буквой N со стрелкой вверху.

Сила тяжести и сила нормальной реакции, действующие на тело, направлены в противоположные стороны, но равны по численному значению (по модулю).

Следует понимать «механизм» возникновения и действия сил. Сила тяжести возникает в следствие закона всемирного тяготения, который утверждает, что все тела притягиваются. В результате существования силы тяжести тела обретают вес. И уже под действием веса одного тела возникает сила нормальной реакции другого тела. То есть это не сила тяжести приводит к возникновению силы нормальной реакции, а вес. Однако вес тела и сила тяжести равны друг другу. И если рассматривать тело, лежащее, скажем, на столе, то на него действительно действуют две противоположно направленные, но равные по модулю силы — сила тяжести со стороны Земли и сила нормальной реакции со стороны опоры.