Деформація — зміна форми та (або) розмірів тіла.
За тим, як саме частини тіла зміщуються одна відносно одної, розрізняють деформації розтягнення, стиснення, вигину, кручення, зсуву.
Деформації, які повністю зникають після припинення дії на тіло зовнішніх сил, називають пружними.
Деформації, які зберігаються після припинен ня дії на тіло зовнішніх сил, називають пластичними.
Сила пружності — це сила, яка виникає під час деформації тіла і напрямлена протилежно напрямку зміщення частин цього тіла в ході деформації.
Зазвичай силу пружності позначають символом Fпруж, але в деяких випадках використовують інші символи.
Якщо тіло тисне на опору, то опора деформується (вигинається). Деформація опори викликає появу сили пружності, яка діє на тіло перпендикулярно до поверхні опори. Цю силу називають силою нормальної реакції опори і позначають символом N.
Якщо тіло розтягує підвіс (нитку, джгут, шнур), то виникає сила пружності, напрямлена вздовж підвісу. Цю силу називають силою натягу підвісу і позначають символом T.
У твердих тілах частинки (атоми, молекули, йони) коливаються біля положень рівноваги і взаємодіють міжмолекулярними силами притягання та відштовхування. У положеннях рівноваги ці сили зрівноважені.
У разі деформації тіла у взаємному розташуванні його частинок виникають певні зміни. Якщо відстань між частинками зростає, то міжмолекулярні сили притягання стають сильнішими за сили відштовхування. Якщо ж частинки зближуються, то сильнішими стають міжмолекулярні сили відштовхування. Іншими словами: у разі деформації частинки «прагнуть» відновити положення рівноваги.
Сила пружності — прояв дії міжмолекулярних сил.
Наукове дослідження процесів розтягування та стискання тіл розпочав у XVII ст. Роберт Гук. Результатом роботи вченого став закон, який згодом отримав назву закон Гука:
У разі малих пружних деформацій розтягнення або стиснення сила пружності прямо пропорційна видовженню тіла і завжди намагається повернути тіло в недеформований стан:
де Fпруж — сила пружності; x — видовження тіла; k — коефіцієнт пропорційності, який називають жорсткістю тіла.
Видовження — це фізична величина, яка характеризує деформації розтягнення та стиснення і дорівнює зміні довжини тіла в результаті деформації.
Видовження x визначають за формулою:
де l — довжина деформованого тіла; l0 — довжина недеформованого тіла.
Жорсткість тіла можна визначити, скориставшись законом Гука:
Одиниця жорсткості в СІ — ньютон на метр:
Жорсткість — це характеристика тіла, тому вона не залежить ані від сили пружності, ані від видовження. Жорсткість залежить від форми та розмірів тіла, а також від матеріалу, з якого тіло виготовлене.
Оскільки сила пружності прямо пропорційна видовженню тіла, то графіком залежності Fпруж(x) є пряма.
Інтерактивні симуляції PhET (Маси і пружини. Основи)
Інтерактивні симуляції PhET (Закон Гука)
Прилади для вимірювання сили називають динамометрами.
Основна складова найпростіших динамометрів - пружина.
Щоб за допомогою пружини, жорсткість k якої відома, виміряти силу F, з якою кіт тягне візок, необхідно:
1) виміряти видовження х пружини;
2) скориставшись законом Гука, визначити силу пружності (Fпруж = kx), яка діє на кота з боку пружини і за значенням дорівнює силі F тяги кота: F = Fпруж.
Для вимірювання сил пружину закріплюють на панелі, на яку наносять шкалу, градуюючи її відразу в одиницях сили. Саме таку будову мають найпростіші шкільні лабораторні динамометри та інші види пружинних динамометрів.
