 |
Применение различных видов деформации
|
|
|
|
КОМАНДА
«И»
ФИНАНСОВО-ЭКОНОМИЧЕСКОГО
ЛИЦЕЯ № 29
Пенза - 2016 год
Давайте познакомимся!
Спешу команду вам представить,
Она в рекламе новичок.
Союз в название добавить:
Команда «И», тепло в душе.
Ребята Инициативны,
Им все на свете Интересно.
Они талантливы, активны.
И скажем честно, энергичны.
Мы-команда «И». Более лаконичное название придумать трудно. Наверное, многим стало интересно, почему именно эта буква, и что она значит для нас.
Итак, как мы все знаем "и"-это союз, который соединяет и объединяет что-либо. Лично для нас это объединение всех нас в единое целое.
Мы разные, но "ОБЪЕДИНЯЯ ПРОТИВОПОЛОЖНОСТИ, МЫ ПРИУМНОЖАЕМ СИЛЫ ", вместе мы идем к выбранной цели.
Каждый член нашей команды нам очень дорог, ведь если убрать одного из нас, мы не сможем добиться результатов. Мысли и идеи у всех нас разные и поэтому каждый из нас дополняет друг друга.
Именно поэтому наша команда называется «И».
| Какое из физических явлений наиболее интересно? О чем мы могли бы рассказать, так, чтобы всем стало интересно |
Проблема, возникшая перед нами:
| Ура! Есть идея! |
ДЕФОРМАЦИЯ
И мы в проекте
Само существование жидких и твердых тел свидетельствует о наличии сил взаимодействия между молекулами.
Эти силы определяются электромагнитными взаимодействиями между движущимися заряженными частицами, из которых состоят атомы и молекулы (электронами и ядрами). Теоретический расчет этих сил чрезвычайно сложен, и в общем виде эта задача не решена до настоящего времени. Однако можно утверждать, что эти силы могут быть как силами притяжения (без сил притяжения все молекулы разлетелись бы из-за их теплового движения), так и силами отталкивания (без которых все тела сжались бы в одну точку). Равновесному положению молекул в жидкости и твердом теле соответствует равенство сил притяжения и отталкивания. При деформации тел (как жидких, так и твердых) равновесные расстояния между молекулами изменяются, поэтому возникают силы, стремящиеся вернуть их в исходное состояние. Эти силы проявляются как силы упругости. Отметим, что силы упругости не относятся к фундаментальным, законы, позволяющие вычислять их значения, как правило, являются экспериментальными и выполняются приближенно.
|
|
|
деформация
Упругая пластичная
полностью исчезает после не исчезает после снятия внешнего
внешнего воздействия воздействия
виды
растяжение
сжатие
кручение
изгиб
сдвиг
В общем случае зависимость сил упругости от деформации может быть очень сложной, однако при малых деформациях справедлив закон Р. Гука:
Всякий физический закон помимо чисто формальной связи между физическими величинами выражает также и причинно-следственные связи. По этому поводу в связи с силами упругости необходимо высказать следующее замечание. Для того чтобы деформировать тело, к нему необходимо приложить внешнюю силу, тогда возникающие деформации приведут к появлению сил упругости.
Итак, причиной деформаций являются внешние воздействия, а сами деформации являются причиной сил упругости. Если деформированное тело находится в состоянии равновесия, то возникающая сила упругости Fупр оказывается равной по величине и противоположной по направлению внешней силе F. Таким образом, соотношение Fупр = −F справедливо только в состоянии равновесия и является следствием условий равновесия, а не третьего закона Ньютона, как это иногда легкомысленно утверждается. Соотношение между силой упругости и деформацией справедливо независимо от того, находится ли тело в состоянии равновесия.
Если к твердому телу приложена внешняя сила, направленная перпендикулярно его поверхности (нормально), то возникающая деформация будет сжатием или растяжением. Если к твердому телу приложить силу, направленную параллельно его поверхности (тангенциально), то возникающая деформация является сдвигом. В обоих случаях возникающая сила упругости направлена в сторону, противоположную внешней силе.
|
|
|
Рассмотренные в данном разделе законы являются приближенными, так при больших деформациях нарушается пропорциональность между силами упругости и деформациями. Кроме того, во многих случаях тело может не восстанавливать свою форму после снятия нагрузки − такие деформации называются пластическими.
Описание сил упругости в таких ситуациях является весьма сложным (мы познакомимся с этим после подробного изучения свойств твердых тел).
Заметим, что более сложные виды деформаций могут быть сведены к простейшим − «растяжению − сжатию» и сдвигу.
Силы упругости возникают как в твердых телах, так и в жидкостях и газах. Для жидких тел имеет смысл говорить только о нормальной силе, так как тангенциальные силы приведут к перетеканию жидкости. Вспомните: «твердые тела сохраняют свою форму и объем, а жидкости ее не сохраняют». Поэтому говорят, что в жидкостях отсутствуют тангенциальные силы упругости. Такие свойства жидкости обусловлены ее молекулярным строением: силы взаимодействия между молекулами проявляются только при изменении расстояния между молекулами, сдвиг одной молекулы относительно другой не приводит к появлению дополнительного взаимодействия. Отметим, что силы упругости жидкости могут быть направлены как внутрь, так и наружу от жидкости, то есть жидкость может быть как сжата, так и растянута. Так как жидкости при отсутствии внешних воздействий сохраняют свой объем, то существует равновесное расстояние между молекулами, при котором сила их взаимодействия равна нулю. При уменьшении равновесного объема расстояния между молекулами меньше равновесных, поэтому между молекулами начинают возникать силы отталкивания, в противном случае увеличения объема расстояния между молекулами превышают равновесные, поэтому начинают проявляться силы притяжения.
Пусть жидкость находится в сосуде под поршнем. Если к поршню приложить силу, направленную наружу от жидкости, то благодаря силам притяжения между молекулами жидкости, а также жидкости и поршня, жидкость окажется растянутой, вследствие чего появятся силы упругости, направленные внутрь жидкости.
|
|
|
Большинство жидкостей деформируется чрезвычайно мало, то есть для того, чтобы получить заметную деформацию, необходимо приложить значительные внешние силы, и наоборот − малые деформации жидкости приводят к возникновению больших сил упругости. Во многих случаях связь между деформациями и силами упругости жидкостей может считаться линейной, соответствующей закону Гука.
Газы, в отличие от твердых тел и жидкостей, не обладают собственным объемом, полностью занимая весь сосуд, в котором они находятся. Поэтому говорить о деформации газа не имеет смысла. Тем не менее газы оказывают давление на стенки сосуда, поэтому можно говорить об упругости газов. Формально можно считать, что собственный равновесный объем газа равен бесконечности, поэтому при любом конечном объеме газ является сжатым. Зависимость давления газа от его объема носит более сложный характер, чем закон Гука, и будет изучаться нами позднее.
Историческое дополнение
Английский естествоиспытатель Роберт Гук (рис. 125) родился во Фрешуотере, графство Айл-оф-Уайт (остров Уайт), в семье священника местной церкви. В 1653 году поступил в Крайст-Чёрч-колледж Оксфордского университета, где впоследствии стал ассистентом Р. Бойля. В 1662 году был назначен куратором экспериментов при только что основанном Королевском обществе; член Лондонского королевского общества с 1663 года. С 1665 года − профессор Лондонского университета, в 1677 − 1683 гг. − секретарь Лондонского Королевского общества.
Разносторонний учёный и изобретатель, Гук затронул в своих работах многие разделы естествознания.
|
|
|
К числу открытий Гука принадлежат:
· открытие пропорциональности между упругими растяжениями, сжатиями и изгибами, и производящими их напряжениями (закон Гука),
· правильная формулировка закона всемирного тяготения (приоритет Гука оспаривался Ньютоном, но, по-видимому, не в части формулировки; кроме того, Ньютон утверждал о независимом и более раннем открытии этой формулы, которую, однако, до открытия Гуком никому не сообщал),
· открытие цветов тонких пластинок (то есть, в конечном итоге, явления интерференции света),
· идея о волнообразном распространении света (более или менее одновременно с Гюйгенсом), экспериментальное обоснование её открытой Гуком интерференцией света, волновая теория света,
· гипотеза о поперечном характере световых волн,
· открытия в акустике, например, демонстрация того, что высота звука определяется частотой колебаний,
· теоретическое положение о сущности теплоты как движения частиц тела,
· открытие постоянства температуры таяния льда и кипения воды,
· закон Бойля (каков здесь вклад Гука, Бойля и его ученика Ричарда Таунли (RichardTownley) - не до конца ясно),
· живая клетка (с помощью усовершенствованного им микроскопа; Гуку же принадлежит сам термин «клетка
· непосредственное доказательство вращения Земли вокруг Солнца изменением параллакса звезды γ Дракона (во второй половине 1669 г.) и многое другое.
Изобретения
Во-первых, следует сказать о спиральной пружине для регулирования хода часов; изобретение это было сделано им в течение времени от 1656 до 1658. По указаниям Гука часовой мастер Томпсон сделал для Карла II первые часы с регулирующей пружиной. Нидерландский механик, физик и математик Христиан Гюйгенс применил регулирующую спираль позже Гука, но независимо от него; зацепляющие части (echappement), придуманные ими, неодинаковы. Идею о применении конического маятника к регулированию часов Гук приписывал себе и оспаривал первенство у Гюйгенса.
В 1666 он изобрёл спиртовой уровень, в 1665 представил королевскому обществу малый квадрант, в котором алидада перемещалась помощью микрометренного винта, так что представлялась возможность отсчитывать минуты и секунды; далее, когда найдено было удобным заменить диоптры астрономических инструментов трубами, он предложил помещать в окуляр нитяную сетку. Вообще Гук сделал немало усовершенствований в конструкции телескопов диоптрических и катоптрических; стёкла он шлифовал сам и много занимался наблюдениями; между прочим, он обратил внимание на пятна на поверхности Юпитера и Марса и по движению их определил, одновременно с Джованни Кассини, скорости вращений этих планет вокруг осей.
|
|
|
В 1684 изобрёл первую в мире систему оптического телеграфа.
Изобрёл множество различных механизмов, в частности для построения различных геометрических кривых (эллипсов, парабол). Предложил прототип тепловых машин.
Кроме того, он изобрёл оптический телеграф, термометр-минима, усовершенствованный барометр, гигрометр, анемометр, регистрирующий дождемер; делал наблюдения с целью определить влияние вращения Земли на падение тел и занимался многими физическими вопросами, например, о влияниях волосности, сцепления, о взвешивании воздуха, об удельном весе льда, изобрёл особый ареометр для определения степени пресности речной воды (water-poise). В 1666 Гук представил Королевскому обществу модель изобретённых им винтовых зубчатых колёс, описанных им впоследствии в «LectionesCutlerianae» (1674). Эти винтовые колёса известны теперь под именем Вайтовых колёс. Карданово сочленение, служащее для подвеса ламп и компасных коробок на судах, Гук применил для передачи вращений между двумя валами, пересекающимися под произвольным углом.
Установив постоянство температур замерзания и кипения воды, вместе с Гюйгенсом, около 1660 предложил эти точки в качестве реперных для шкалы термометра.
Применение различных видов деформации
Широкое распространение методов пластической деформации обусловливается их высокой производительностью и высоким качеством изготавливаемых изделий.
Методами пластической деформации получают заготовки из стали, цветных металлов и их сплавов, а также пластмасс, резины, многих керамических материалов и др. Важной задачей технологии является получение заготовок, максимально приближавшихся по форме и размерам к готовым деталям. Заготовки, получаемые методами пластической деформации, имеют минимальные припуски на механическую обработку, а иногда и не требуют ее вовсе. Структура металлической заготовки и ее механические свойства после пластической деформации улучшаются.
Обработка металлов давлением основана на пластической деформации. Этим методом изготавливают заготовки и изделия массой от нескольких граммов до сотен тонн из металлов и сплавов. Обработка металлов давлением включает: прокатку, ковку, штамповку, прессование и волочение. Это один из прогрессивных и распространенных методов получения заготовок деталей машин.
Обработка металлов давлением основана на свойстве пластичности обрабатываемого материала. «Пластичность — это способность материала, изменять свою форму необратимо и не разрушаясь, под действием внешних сил». В результате обработки давлением изменяется форма заготовки без изменения ее массы. Обработке давлением можно подвергать только те материалы, которые обладают пластичностью в холодном или нагретом состоянии. Пластическая деформация твердых тел происходит в результате смещения атомов по кристаллографическим плоскостям, в которых расположено наибольшее количество атомов. В результате искажения кристаллической решетки — наклепа при деформации в холодном состоянии — свойства кристалла изменяются: увеличивается твердость, прочность, хрупкость; уменьшается пластичность, вязкость, коррозийная стойкость, электропроводность. Для восстановления пластических свойств, устранения наклепа производят раскристаллизационный отжиг, после которого материал приобретает прежние свойства. При этом материал из неустойчивого состояния наклепа постепенно переходит в устойчивое, равновесное состояние.
|
|
|
