МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ СВЕРДЛОВСКОЙ ОБЛАСТИ
УПРАВЛЕНИЕ ОБРАЗОВАНИЯ МО «АРТЕМОВСКИЙ РАЙОН»
МО ОУ №21 «ЦЕНТР ОБРАЗОВАНИЯ»
ОБЛАСТЬ: ЕСТЕСТВОЗНАНИЕ
ПРЕДМЕТ: ФИЗИКА
Механические свойства твердых тел в практике
Исполнитель: Гаряева Татьяна
ученица 11 «Г» класса
Руководитель: Баженова Галина
Дмитриевна
учитель физики
Артемовский
2005
Содержание
Введение…………………………………………………………………………. 3
1.Механические свойства твердых тел……………………………………… …4
1.1.Виды деформации………………………………………………………..…. 4
1.2.Основные допущения о свойствах материалов и характере деформирования……………………………………………………………. …..14
1.3. Геометрическая схематизация элементов строительных конструкций…19
1.4. Внешнее воздействие на тело. Классификация нагрузок……………... 22
1.5. Внутренние силы в поперечном сечении бруса…………………….…..26
1.6. Крутящий момент…………………………………………………………..30
2.Строительные материалы………………………………………………….….33
2.1.Бетон……………………………………………………………………….…33
2.2.Синтетические материалы…………………………………………………..38
3.Выбор формы детали………………………………………………………… 42
Заключение …………………………………………………………………….. 54
Список литературы……………………………………………………………...55
Введение
Данную тему для реферата я выбрала потому, что она связана с моей будущей профессией. И эту же тему мы затрагивали в курсе физики. Поэтому я решила более подробно рассмотреть виды деформации и способы ее учета. Также стало интересно, какие материалы используются в строительстве, и какими качествами они должны обладать. Мне захотелось узнать, как выбирают форму детали, из которой в последующем делают различные изделия.
1.Механические свойства твёрдых тел.
1.1.Виды деформации.
Виды деформации тел. Механические свойства твёрдых тел обусловлены их молекулярной структурой. Внешнее механическое воздействие на тело может приводить к изменению его формы и объёма, т.е. к деформации.
Деформация – изменение формы и размера твёрдого тела под действием внешних сил.
Различают два вида деформаций – упругую и пластическую.
Упругая деформация – деформация, сохраняющаяся после прекращения действия внешней силы.
Упруго деформируются резина, сталь, человеческое тело, кости и сухожилия.
Пластическая деформация – деформация, сохраняющаяся после прекращения действия внешней силы.
Пластичны свинец, алюминий, воск, пластилин, замазка, жевательная резинка.
Упругая деформация. Модуль Юнга. Рассмотрим упругую деформацию (растяжение) стержня, длина которого l0, а площадь поперечного сечения S, под действием внешней силы F (рис.1).
Деформация стержня прекращается тогда, когда сила упругости становится равной внешней силе. Согласно закону Гука
Fупр=kΔl,
где Δl – абсолютное удлинение стержня.
Чтобы добиться аналогичного абсолютного удлинения Δl стержня двойного сечения, требуется вдвое большая сила, поэтому для характеристики упругих свойств тела вводится механическое напряжение.
Механическое напряжение – физическая величина, равная отношению силы упругости к площади поперечного сечения тела:
σ = Fупр/S. (1)
механическое напряжение измеряется в паскалях (Па).
|
| Рис.1. Упругая деформация стержня | |
Более удобной величиной чем абсолютное удлинение является относительное удлинение.
Относительное удлинение равно отношению абсолютного удлинения тела к его первоначальной длине:
ε=|Δl|/l0. (2)
Относительное удлинение показывает, какую часть первоначальной длины l0 тела составляет его абсолютное удлинение.
Выражая Fупр и l0 из равенств (1) и (2) и подставляя их в закон Гука, получаем
σ=(kl0/S)ε.
Коэффициент пропорциональности (kl0/S) между напряжением σ и относительным удлинением ε называется модулем упругости (или модулем Юнга):
E=kl0/S.
Модуль Юнга измеряется в паскалях (Па).
В отличие от жёсткости k, характеризующей только данный стержень, модуль упругости E характеризует вещество, из которого он сделан (табл.1).
Таблица 1
Модуль Юнга для некоторых металлов
| Вещество | E,Па |
| Pb | 0.16*1011 |
| Al | 0.7*1011 |
| Cu | 1.1*1011 |
| Fe | 1.9*1011 |
| Ni | 2.1*1011 |
| W | 3.6*1011 |
| |
Закон Гука
При упругой деформации тела механическое напряжение прямо пропорционально относительному удлинению тела:
σ=Eε. (3)
при растяжении твёрдого тела сила упругости сжимает образец. Она возникает потому, что при увеличении межатомного расстояния по сравнению с равновесным атомы притягиваются друг к другу. Результирующая сила притяжения атомов после прекращения действия внешней силы сжимает образец до первоначальной длины.
Закон Гука справедлив лишь при малой деформации, т.е. при малом относительном удлинении ε.
Пластическая деформация. Предел прочности. Начиная с некоторого значения εmax деформация перестаёт быть упругой, становясь пластической.
Предел упругости – максимальное напряжение в материале, при котором деформация ещё является упругой.
Пластичные материалы – материалы, которые не разрушаются при напряжении, значительно превышающем предел упругости.
Благодаря пластичности алюминий, медь, сталь можно подвергать различной механической обработке: штамповке, ковке, изгибу, растяжению. При дальнейшем увеличении деформации материал разрушается.
Предел прочности – максимальное напряжение, возникающее в теле до его разрушения.
При сжатии стержня межатомные расстояния уменьшаются. Результирующая сила отталкивания атомов препятствует сжатию. Более резкое возрастание сил отталкивания (при сжатии образца) по сравнению с силами притяжения (при его расширении) объясняется различие пределов прочности при растяжении и сжатии, приведённых для ряда материалов в таблице 2.
Таблица 2
Предел прочности при растяжении и сжатии
| материал | Растяжение , МПа | Сжатие, МПа |
| Бетон | 4 | 30-40 |
| Кирпич | 5,5 | 10-21 |
| Мрамор | 10 | 110 |
| Гранит | 20 | 240 |
| Железо | 170 | 650 |
| Кость | 110 | 150 |
Атомы и молекулы в твёрдых телах совершают тепловые колебания около равновесных положений, в которых энергия минимальна. При уменьшении расстояний между атомами возникают силы отталкивания, а при увеличении расстояний между ними – силы притяжения. Это и обуславливает механическую прочность твёрдых тел, т.е. их способность противодействовать изменению формы и объёма. Растяжению тел препятствуют силы межатомного притяжения, а сжатию – силы отталкивания. Этими же силами объясняются упругие свойства твёрдых тел.
Недеформируемых тел в природе не существует. В то же время часто приходится иметь дело со столь малыми деформациями, что их трудно обнаружить. Например, если наступить на кирпич, то его высота уменьшится примерно на 1/20000 см. При такой деформации соседние атомы сближаются примерно на 2*10-14 см!
Среди деформаций, возникающих в твёрдых телах, можно выделить пять основных видов: растяжение, сжатие, сдвиг, кручение и изгиб. Для демонстрации этих видов деформаций можно восполь