Podstawową cechą sił sprężystości jest proporcjonalność siły do odkształcenia. Siły sprężystości pojawiają się kiedy ciało ulega deformacji. Za deformację (odkształcenie) uważa się zmianę kształtu ciała lub/i jego rozmiarów. Deformacją jest ściskanie lub rozciąganie, jest zmiana objętości, jest zmiana kształtu bez zmiany objętości itd. Deformację nazwiemy sprężystą lub elastyczną jeśli znika po ustąpieniu sił deformujących. Nie zawsze deformacja ustępuje całkowicie. Ciało nazywamy doskonale sprężystym jeśli po ustąpieniu sił deformujących wraca całkowicie do postaci pierwotnej. W przypadku deformacji nieelastycznej w ciele następują trwałe odkształcenia jego struktury.
W celu ilościowego opisu deformacji ciał wprowadza się pojęcie naprężenia określającego wartość siły działającej na jednostkę powierzchni ciała .
(3.45) |
Jeśli siła ta jest prostopadła do powierzchni ciała to naprężenie nazywamy normalnym, jeśli jest styczna do powierzchni, to naprężenie nazywamy stycznym lub ścinającym. Za miarę deformacji ciała przyjmuje się względną zmianę rozmiarów lub odkształcenia jego postaci. Jest to stosunek bezwzględnej deformacji do wartości początkowej charakteryzującej rozmiary ciała bądź jego kształt. Za możemy więc przyjąć zmianę długości lub objętości albo zmianę kształtu.
Związek pomiędzy naprężeniem a deformacją określa prawo Hooke'a, które mówi, że w przypadku deformacji sprężystej naprężenie jest proporcjonalne do deformacji względnej
Współczynnik proporcjonalności nosi nazwę modułu sprężystości. W przypadku ściskania lub rozciągania, kiedy mamy do czynienia ze zmianą rozmiarów liniowych, miarą deformacji jest względny przyrost (lub zmniejszenie) długości ciała . Moduł sprężystości dla tego przypadku nosi nazwę modułu Younga . Prawo Hooke'a ma wówczas postać
Krzywa, przedstawiająca typowy związek pomiędzy naprężeniem, a wydłużeniem ciała przedstawiona jest na Rys. 3.4.
|
Ruchy, które odbywają się pod wpływem sił sprężystości, odgrywają niezwykle ważną rolę w fizyce i technice. Ruchy te należą do klasy ruchów harmonicznych. Będą one jeszcze przedmiotem naszych szczegółowych rozważań.