Сила упругости и закон Гука

Закон Гука — один из первых серьёзных законов физики, который проходят в школе, и один из самых наглядных: пружинуможно растянуть руками и сразу увидеть, как работает формула. Физика 7 класс онлайн часто начинает именно с этой темы, чтобы школьники увидели связь теории и простого опыта. Закон Гука словами звучит просто: сила упругости прямо пропорциональна деформации тела. Закон Гука просто и наглядно проверяется обычной пружиной в руках. Закон Гука простыми словами — это связь между тем, насколько сильно тянут пружину, и тем, насколько сильно она сопротивляется.

Что такое закон Гука

Закон упругости Гука описывает поведение тел при небольшой нагрузке. Закон силы Гука связывает силу и деформациюпростым числом — коэффициентом. Закон Гука пружина иллюстрирует лучше всего: растянул вдвое сильнее — сила выросла вдвое.

Закон Гука деформации касается напрямую: без деформации силы упругости просто не существует. Деформации бывают разные — от едва заметных до катастрофических.

Формула закона Гука

Закон гука формула: F = -kx. Сила упругости закон Гука выражает через жёсткость и удлинение.

Закон Гука коэффициент упругости обозначает буквой k — он показывает, насколько жёсткая пружина. Виды деформацийделят на упругую и пластическую.

Формулы такого рода встречаются в физике часто: одна величина через две другие. Упругая деформация исчезает сразу после снятия нагрузки — тело возвращается к исходной форме.

Формулу легко запомнить, если помнить смысл: минус означает, что сила упругости направлена против деформации. Пластическая деформация остаётся навсегда, даже когда нагрузку убрали.

Формулой пользуются и в 7 классе, и в инженерных расчётах. Тела реагируют на нагрузку по-разному.

Деформация тела

Твердое тело деформируется меньше, чем мягкое, при той же силе. Расчетная формула не меняется от задачи к задаче — меняются только числа.

Упругое тело возвращается к форме, деформируемое тело — не всегда. Математическая запись закона короткая, но требует понимания, что стоит за каждой буквой.

Материальная точка в таких задачах — упрощение: считаем, что вся масса сосредоточена в одной точке. Выражение законаодинаково работает и для растяжения, и для сжатия, только знак разный.

Относительная деформация — это отношение изменения длины к исходной длине, число без единиц измерения. Деформацию пружины видно невооружённым глазом: она либо растягивается, либо сжимается.

Жёсткость пружины

Жесткости пружины хватает, чтобы понять, насколько она сопротивляется деформации. Пружины встречаются повсюду: в матрасах, в весах, в амортизаторах машин.

Жесткость пружины у толстой стальной проволоки выше, чем у тонкой. Растянуть пружину легко, а вот предсказать, с какой силой она потянет обратно, — уже физика.

Коэффициент жесткости измеряют в ньютонах на метр. Пружину используют в тысячах устройств именно из-за предсказуемого поведения.

Жесткость тела в целом зависит от материала и формы. Пружиной измеряют силу в школьных динамометрах.

Жесткость системы из нескольких пружин считают иначе, чем жёсткость одной. Растяжение пружины и сжатие пружиныподчиняются одной и той же формуле, только с разным знаком.

Измерить жесткость можно экспериментально: подвесить груз известного веса и замерить удлинение. Винтовая пружина — самый частый пример в учебниках: её легко растягивать и сжимать руками.

Маятник с пружиной — классический опыт, где закон Гука сочетается с колебаниями.

Удлинение, растяжение и сжатие

Закон Гука удлинение связывает с силой напрямую: вдвое больше сила — вдвое больше удлинение, пока не превышен предел. Удлинения при слабой нагрузке почти незаметны, при сильной — очевидны.

Удлинению пружины пропорциональна приложенная сила — в этом суть закона. Растяжение — один из двух базовых видов деформации пружины.

Абсолютное удлинение измеряют в метрах или сантиметрах, относительное удлинение — безразмерное число. Растягивающая нагрузка увеличивает длину.

Изменение длины и есть та самая деформация, о которой говорит закон. Растянутая пружина стремится сжаться обратно — в этом и есть сила упругости.

Испытание на растяжение проводят и в лабораториях, и в промышленности. Сжатия пружины боятся меньше, чем растяжения, — материал обычно выдерживает его лучше.

Сжатию подвергают пружины в амортизаторах и матрасах. Сжатая пружина толкает так же предсказуемо, как растянутая тянет.

Деформация сжатия и нагрузка на сжатие подчиняются той же формуле F = -kx

Сила упругости и её предел

Силы упругости без деформации не бывает. Упругости хватает не до бесконечности.

Силу упругости легко спутать с обычным весом, хотя это разные вещи по происхождению. Упругие свойства материала сохраняются лишь до определённой границы.

Силой упругости объясняют, почему батут подбрасывает прыгуна вверх. Предел упругости — та точка, за которой деформация перестаёт быть упругой и становится постоянной.

Внешняя сила растягивает или сжимает пружину, а приложенная сила и есть та самая внешняя нагрузка. Предела прочности достигают ещё позже: материал уже не выдерживает и рвётся.

Равнодействующая сила в состоянии покоя равна нулю: сила упругости уравновешивает внешнюю. Предела упругости у разных материалов разный: у стали он выше, чем у резины, хотя резина растягивается сильнее.

Пределу применимости закона Гука подчиняются только небольшие деформации. Модуля упругости достаточно, чтобы сравнить жёсткость разных материалов между собой.

Граница применимости закона — важная деталь, о которой часто забывают в школьных задачах. Модулю Юнга посвящён отдельный раздел физики твёрдого тела.

Допустимая нагрузка для пружины указана производителем не просто так. Модулем силы называют её числовое значение без учёта направления.

Модуль упругости — характеристика самого материала, а не конкретной пружины.

Пропорциональность в законе Гука

Пропорциональности между силой и деформацией и посвящён весь закон. Коэффициент пропорциональности в этой связи — тот самый k.

Прямо пропорционально силе растёт удлинение, пока действует закон Гука. Линейная зависимость силы от удлинения — главная черта закона Гука, отличающая его от многих других физических зависимостей.

Обратно пропорционально жёсткости при той же силе меняется величина деформации: чем жёстче пружина, тем меньше она растягивается.

График зависимости силы от удлинения

Графика достаточно, чтобы увидеть закон Гука без единой формулы. Прямая линия на графике — признак того, что деформация ещё в пределах упругости.

Графику силы от удлинения строят по точкам эксперимента. Угол наклона такой прямой равен коэффициенту жесткости.

Графиком закона Гука служит прямая линия, проходящая через начало координат. Линейный график ломается, как только материал переходит предел упругости.

Единицы измерения и опыты

Измерения силы упругости проводят в ньютонах. Ньютон — единица силы, названная в честь того же Исаака Ньютона, чьи законы Ньютона легли в основу классической механики.

Измерению поддаётся и удлинение — обычной линейкой. Динамометр — прибор, который измеряет силу через растяжениесобственной пружины.

Измерением жёсткости занимаются на лабораторных работах в 7 классе. Шкала прибора у динамометра проградуирована сразу в ньютонах.

Единицы измерения в формуле должны совпадать, иначе расчёт окажется неверным. Опыта с пружиной и грузами достаточно, чтобы проверить закон Гука своими руками.

Опыту с динамометром обычно посвящают отдельную лабораторную работу. Лабораторная работа по закону Гука — одна из первых практических работ по физике.

Опытом закон подтверждён давно и многократно. Экспериментальное подтверждение линейной зависимости получают уже на первом занятии.

Наблюдение за пружиной под разной нагрузкой — простой и наглядный способ понять суть закона. Исследованиежёсткости разных пружин интересно провести и дома.

Закон Гука в физике 7 класса

Закон Гука 7 класс проходит вместе с темой силы упругости. Физики любят закон Гука за простоту и наглядность.

Закон Гука в физике занимает скромное место по объёму, но важен для понимания механики в целом. Седьмой класс — время, когда закон Гука встречается школьникам впервые.

Физика 7 закон Гука вводит одним из первых серьёзных законов после основ кинематики. Для 7 класса эта тема входит в учебник 7 класса почти без исключений.

Закон Гука класс от класса изучают глубже: сначала формула и опыты, потом пределы применимости и модуль упругости. Программа 7 класса отводит закону Гука отдельные уроки физики.

Закон Гука 7 — не самая сложная тема, если разобраться в самом начале. Школьная программа считает эту тему базовой для всей дальнейшей механики.

Физике вообще свойственно объяснять сложное через простое, и этот закон — хороший пример. Физикой такого уровня занимается раздел механики — статика и динамика вместе.

Школьный курс физики строит на нём немало последующих тем.