Учебник для 10 класса

ФИЗИКА

       

§ 9.1. Чем отличаются твердые тела от жидких и газообразных

  • В большей части курса механики мы изучали движение материальных точек и их систем. Иными словами, мы изучали такие случаи движения, когда не учитывались не только деформации тел, но и их размеры. При рассмотрении динамики твердого тела и в статике мы учитывали, правда, размеры тел, но их деформациями пренебрегали, т. е. считали тела абсолютно твердыми.

    Однако в огромном числе практически важных случаев пренебрегать деформациями при исследовании движения тел нельзя. Движущиеся жидкости и газы, значительно деформируются. Это необходимо учитывать на практике. Приходится также учитывать деформации твердых тел {частей машин, механизмов, сооружении), так как от размеров деформаций зависят возникающие в этих телах силы.

    Механика деформируемых тел — самый сложный раздел классической механики. Мы рассмотрим лишь наиболее простые вопросы этой темы. Но предварительно кратко познакомимся в самых общих чертах с механическими свойствами твердых, жидких и газообразных тел. Различие между ними с точки зрения механики состоит в неодинаковой способности к деформациям.

Твердые тела

Главное отличие твердых тел от жидкостей и газов состоит в том, что они сохраняют свою форму. Карандаш, стул, кузов автомобиля практически не изменяют своей формы, если только действующие на них силы не слишком велики. Это происходит потому, что при любой попытке их деформировать возникают силы упругости, препятствующие деформации. Если, к примеру, на твердое закрепленное на плоскости тело подействовать силой под углом к поверхности (рис. 9.1, а), то в нем возникают упругие силы, препятствующие изменению объема и формы. После снятия нагрузки восстановление формы сопровождается взаимным перемещением слоев тела. Это означает, что внутренние силы упругости при деформации тела имеют составляющие, направленные не только по нормали, но и по касательной к слоям тела (рис. 9.1, б), что и приводит к восстановлению его формы.

Рис. 9.1

Напомним, что в главе 3 тела, которые восстанавливают свою форму после прекращения действия сил, вызвавших деформации, мы назвали упругими.

Тела, которые после прекращения действия внешних сил, вызвавших деформацию, не восстанавливают своей формы, называют пластичными. Соответственно и деформации тел называются упругими и пластическими или остаточными.

Одни и те же тела могут быть и упругими, и пластичными в зависимости от характера деформации. При очень больших деформациях стальная линейка не примет прежней формы. А при очень малых деформациях даже пластилин восстанавливает свою форму.

Жидкости

Если в прочную стальную оболочку заключить жидкость и сдавить ее поршнем (рис. 9.2), т. е. подвергнуть всестороннему сжатию, то деформация жидкости будет незначительной и упругой. После снятия нагрузки первоначальный объем жидкости восстанавливается (жидкость сохраняет свой объем). Эксперимент свидетельствует, что жидкости очень мало сжимаемы. Для увеличения плотности воды до 1,1 г/см3 необходимо давление 8 • 105 атм. Эта практическая несжимаемость жидкостей находит применение в технике (гидравлические прессы, домкраты).

Рис. 9.2

Собственной формы жидкость не имеет, она принимает форму сосуда, в котором находится. Хорошо известно, что жидкость текуча — ее можно переливать из одного сосуда в другой. Объясняется это тем, что в жидкости в отличие от твердых тел смещение слоев не приводит к появлению упругих касательных напряжений. Возникающая сила при скольжении слоев жидкости пропорциональна не величине деформации, а относительной скорости слоев. Это сила трения. Поэтому перемещение тела по поверхности жидкости может быть вызвано сколь угодно малой силой. Трение покоя в жидкостях (и газах) отсутствует.

Газы

Мы знаем, как трудно изменить объем твердого тела — сжать его или растянуть. Так же трудно изменить объем жидкости. Попробуйте сжать поршнем воздух в насосе. Это удается относительно легко. При снятии нагрузки восстанавливается первоначальный объем газа, т. е. деформация газа является упругой. Газ, как и жидкость, не передает касательных упругих напряжений, поэтому он не имеет своей формы, а принимает форму сосуда, в котором находится.

При сжатии воздуха в насосе (рис. 9.3, а) рука чувствует, что сжимаемый газ оказывает все большее сопротивление, как будто под поршнем находится сжатая пружина. По мере сжатия газа возрастает сила упругости (рис. 9.3, б).

Рис. 9.3

Обратим внимание еще на одну особенность газа, резко отличающую его от твердых и жидких тел. Положим на тарелку воздушного насоса резиновый шарик с завязанным отверстием (рис. 9.4), содержащий самое незначительное количество воздуха. Будем выкачивать воздух из-под стеклянного колпака. Шарик при этом начнет раздуваться и тем сильнее, чем значительнее уменьшается давление воздуха под колпаком. В отличие от жидкостей газы не сохраняют постоянного объема и обладают способностью неограниченно расширяться. Газ всегда сжат. Как бы ни было мало количество газа, введенного в пустой сосуд, газ распределяется в нем по всему объему.

Рис. 9.4

Большая сжимаемость газов и их неограниченная способность к расширению в отсутствие внешних сил являются характерными свойствами газов. Лишь сила тяготения удерживает атмосферу вблизи Земли. В межзвездном пространстве могут находиться гигантские газовые скопления — диффузные туманности, удерживаемые собственными силами гравитационного взаимодействия. Типичная газовая туманность находится, например, в созвездии Ориона.

Твердые тела сохраняют объем и форму; жидкие тела сохраняют объем; газы не сохраняют ни формы, ни объема.

 

 

 

Top.Mail.Ru
Top.Mail.Ru