Текст выступления:

Серпімділік күші. Гук заңы
1. Серпімділік күші және Гук заңы: негізгі ұғымдар

Қазіргі физика мен техника саласында денелердің пішіні мен көлемі өзгерген кездегі олардың әрекетін түсіну маңызды. Бұл сұраққа қатысты ең негізгі ұғымдардың бірі – серпімділік күші және оны сипаттайтын Гук заңы. Серпімділік күші дененің деформациясы кезінде туындайтын, оны бастапқы пішініне қайтара орнатуға ұмтылатын күш болып табылады. Осы тақырып шеңберінде денелердің қалай өзгеруі және серпімділік күшінің шығарылу себебін жан-жақты қарастырамыз.

2. Деформация мен серпімді күш негіздері

Деформация – денеге сыртқы күш әсер еткенде оның пішіні мен көлемінің уақытша немесе тұрақты өзгеруі. Бұл физикалық құбылыс негізінде дененің ішкі құрылымындағы молекулалар мен атомдар өз орны мен арасындағы арақашықтықты қайта реттеуге мәжбүр болады. Осы әрекет кезінде дене ішіндегі серпімділік күші бүркеніш болып, дененің бұрынғы формасына оралуға әрекет етеді. Мысалы, резеңке доптың сығылған кезде қысылған пішінді қайта қалпына келтіруі осы құбылыстың көрінісі болып табылады.

3. Серпімділік күшінің шығу себептері

Денеге сыртқы әсер еткен кезде оның ішкі молекулалары мен атомдары өз орны мен арақашықтықтарын өзгертіп, соның нәтижесінде дененің пішіні өзгереді. Сонымен қатар, бұл қимыл молекулалардың бұзылуынсыз өтеді, яғни ішкі құрылым сақталады. Сол кезде пайда болатын серпімділік күші денеден сыртқы күш алынған кезде оны бастапқы формасына қайтаруға әрекеттенеді. Молекулалар арасындағы тартылыс пен тебілу күштері – осы серпімділік күшінің негізі. Мысалы, күнделікті қолданылатын серіппелер мен резеңкелер осы әрекеттің нақты көрінісі, олар созылған немесе қысылған кезде осы ішкі күштердің теңгерімі арқасында пішінін қайта қалпына келтіреді.

4. Серпімділік күшінің бағыты мен әсері

Серпімділік күші әрдайым денені деформацияға ұшыратқан сыртқы күштің екінші бағытына қарсы бағытталады. Бұл күш дененің ұзаруына немесе қысқаруына деген қарсылықты білдіреді және дененің формасының өзгеруіне қарсылық көрсетеді. Мысал ретінде, серіппенің созылуы кезінде оның ішіндегі серпімділік күші серіппені бастапқы ұзындығына қайтару мақсатында қайта қысылуға итермелейді. Бұл заңдылық механикалық құрылымдардың беріктігін арттыруда негізді рол ойнайды.

5. Механикада серпімділік күшінің маңызы

Серпімділік күші механика ғылымында аса маңызды қызмет атқарады. Бұл күш объектілердің энергиясы мен қозғалысының өзгеруін сипаттауда негізгі элемент болып табылады. Мысалы, автокөліктің амортизаторлары қозғалыс кезінде туындайтын соққыларды серпімділік күші арқылы ұстайды, бұл жүргізу қауіпсіздігін арттырады. Сонымен қатар, спорттық құралдарда денеге түсетін соққыларды сіңіру, жарақаттарды алдын алу – осы принциптің нақты қолданылуы. Құрылыс индустриясында серпімділік күшінің есебінен материалдардың беріктігі мен құрылымдық тұтастығы қамтамасыз етіледі.

6. Гук заңының формуласы

Гук заңы серпімділік күшін математикалық түрде сипаттаудың негізгі құралы болып табылады. Бұл заң бойынша, серпімділік күші F = -k·x формуласы арқылы өрнектеледі, мұндағы F – серпімділік күші, x – дененің деформация ұзындығы, ал k қаттылық коэффициенті. Мұндағы минус таңбасы күштің деформацияның бағытына қарама-қарсы екенін білдіреді, яғни дененің бастапқы формасына қайтуға ұмтылысын көрсетеді. Осы формула механика мен материалтануда көптеген есептердің негізін құрайды.

7. Қатандық коэффициенті дегеніміз не?

Қатандық коэффициенті, қысқаша k, материалдың сыртқы күштерге қарсыласу деңгейін білдіретін физикалық шама. Қатты және берік заттардың қатандық коэффициенті жоғары, мысалы болатта, оның деформацияға қарсыласуы күшті және пішіні сирек өзгереді. Ал жұмсақ және серпімді материалдарда, мысалы резеңкеде, бұл коэффициент төмен болып табылады, олар оңай созылып немесе сығылады. Қатандық коэффициенті материалдың қасиеттерін сипаттап, инженерлік есептерде маңызды рөл атқарады.

8. Әртүрлі материалдардың қатандық коэффициенттері

Кестеде әртүрлі материалдардың қатандық коэффициенттері көрсетілген. Осы деректерге сүйенсек, қатты металдар мен минералдар қатандық коэффициенті жоғары және деформацияға төзімді, ал резеңке сияқты серпімді материалдардың көрсеткіші төмен әрі олар жақсы серпімділік қасиеттерін көрсетеді. Бұл ақпарат құрылыс, машина жасау және басқа инженерлік салаларда материалды дұрыс таңдау үшін негіз болып табылады. Алғашқы қатандық коэффициенттер XIX ғасырда алғаш рет зерттелген, олар қазіргі заманғы материалтану ғылымының дамуына ықпал етті.

9. Деформация түрлері: серпімді және пластикалық

Деформация екі түрлі болады: серпімді және пластикалық. Серпімді деформация кезінде дене сыртқы күш әсерінен өзгерсе де, ол күш алынған соң бастапқы пішіні мен көлеміне толық қайтып келеді. Мысалы, серіппе созылғаннан кейін өз қалпына оралады. Ал пластикалық деформация кезінде дене пішінін өзгертіп, қайта қалпына келмейді. Бұл жағдай шеге немесе металлдың иілуінде байқалады, онда пішін тұрақты өзгеріске ұшырайды. Осы екі түрдегі деформациялар материалдардың қолдану аясын анықтайды және олардың қасиеттерін талдауға мүмкіндік береді.

10. Серпімділік күшінің пайда болу процесі

Дене деформациясының басталуымен молекулалар арасындағы тепе-теңдік бұзылады. Бұл молекулалардың өзара тартылыс пен тебілу күші арқылы өзгеше орналасуына әкеледі. Осы өзгерістер серпімділік күшінің пайда болуына себеп болады, ол сыртқы күштің әсерін теңестіруге тырысады. Нәтижесінде дене пішінін бастапқы күйіне қайтаруға ұмтылады. Бұл процесс бірнеше кезеңнен тұрады: сыртқы күштің әсері, молекулалардың орналасуының өзгеруі, ішкі серпімді күштердің пайда болуы және дененің қайта қалпына келуі. Осы тізбектің әрбір сатысы материалдардың физикалық қасиеттерін зерттеуде маңызды роль атқарады.

11. Гук заңының қолданылу шарттары

Гук заңы тек серпімді деформациялардың нақты шегінде ғана қолданылады. Яғни, күш пен деформация арасындағы тәуелділік тек бұл шектерде сызықтық түрде сипатталады. Егер деформация осы шектен асып кетсе, дене пластикалық өзгерістерге ұшырап, бастапқы пішінін сақтамайды. Бұл кезде Гук заңы мен оның формуласы қолданысынан шығады. Сондықтан материалдардың зерттеулерінде және инженерлік есептерде осы шектердің сақталуы аса маңызды. Бұл заңды алғаш рет ағылшын физигі Роберт Гук XVIII ғасырда келтіріп, ол материалдардың физикалық қасиеттерін түсінуде төңкеріс жасады.

12. Күнделікті өмірдегі Гук заңының мысалдары

Гук заңын күнделікті көптеген мысалдарда байқауға болады. Мәселен, велосипедтің немесе автомобильдің амортизаторлары жолдағы дірілді сіңіріп, қозғалысты жұмсартады. Сондай-ақ, телефондағы пернелердің басылғандағы сезімталдығы да серпімділік күшіне негізделген. Үй шарттарында киімдерді суспензияға іліп қойғанда, олар созылыстарын көрсетеді. Барлық осы құрылғылар мен заттар Гук заңымен олардың сенімді жұмысын қамтамасыз етеді және адамның күнделікті күрделі функцияларын оңайлатады.

13. F-x тәуелділігінің графигі

Графикте деформацияның ұлғаюы серпімділік күшінің өсуімен тығыз байланыстырылады. Бұл тәуелділік сызықтық болып, Гук заңын дәлелдейді. Күш пен деформация арасындағы бұл қатынас материалдың белгілі қатандық коэффициентін көрсетеді, яғни материалдар бірқалыпты түрде созылады немесе сығылады. Осы деректер материалдардың механикалық қасиеттерін талдауда, олардың қолдану саласын және беріктік критерийлерін анықтауда аса маңызды.

14. Серппелер үшін күш пен созылу мәндері

Бұл кестеде серіппеге әртүрлі күштер әркелкі әсер еткен кезде оның созылу ұзындықтарының мәндері көрсетілген. Көрсетілген мәліметтерден күрделі емес қорытынды шығарылады — күш пен созылу арасында тура пропорционалдық байланыс бар. Бұл байланыс серіппенің механикалық қасиеттерін түсінуде және оның жұмыс істеу принциптерін зерттеуде маңызды негіз құрайды. Мұндай сыналулар лабораторияларда кең қолданылады және физиканың тәжірибелік бөлігінде оқушылар үшін маңызды.

15. Серпімділік күшін өлшеу құралдары

Серпімділік күшін өлшеуде динамометр ең көп қолданылатын құралдардың бірі. Бұл құрылғы белгілі қаттылықтағы серіппеден құралған және күштің өзгеруін дәл тіркейді. Зертханалық динамометрлер 10-50 Н аралығындағы күштерді өлшеуге жарамды, бұл мектептер мен ғылыми зертханаларда үздік нәтиже көрсетеді. Өлшеу дәлдігі динамометрдің калибрлену сапасына байланысты өзгереді, сондықтан физикалық өлшеулерде құралдың сенімділігі аса маңызды. Бұл құралдар физика пәнінің тәжірибелік бөлігі мен инженерлік зерттеулердің ажырамас бөлігі.

16. Жергілікті мысалдар: құрылыс және тұрмыста қолдану

Қазіргі кезде серпімділік пен материалдардың қасиеттері тек ғылыми зерттеулердің тақырыбы ғана емес, сонымен қатар тұрмыста және құрылыс саласында күнделікті шешім қабылдауда маңызды факторға айналды. Мысалы, құрылыс саласында темірбетонның ішінде қолданылатын болат сымдары өзінің жоғары серпімділігі арқасында ғимараттардың дірілге және жер сілкіністеріне төзімділігін қамтамасыз етеді. Сонымен қатар, тұрмыста қолданылатын резеңке материалдар мен серпімді пластиктер заттардың деформациядан кейін қалыптарына қайта оралуын қамтамасыз етіп, әдеттегі тұрмыс техникасынан бастап спорттық құралдарға дейін кеңінен қолданылады. Бұл жергілікті мысалдар технологиялық жетістіктер мен ғылыми зерттеулердің өмірдегі көрінісін айқын көрсетеді.

17. Серпімділіктің дененің құрылымына байланысы

Материалдардың серпімділік қасиеті олардың ішкі құрылымына тікелей байланысты. Атомдар мен молекулалардың орналасу тәртібі, әсіресе, жақсы ұйымдасқан кристаллдық торлар серпімділікті арттырады. Бұл құбылыс металдарда анық байқалады, өйткені олардың молекулалары арасында күшті байланыстар бар, сондықтан олар созылған кезде бастапқы пішінін тез қайтарады. Ал аморфты заттар, мысалы шыны мен пластиктер, молекулалардың ретсіз орналасуы себепті серпімділік деңгейі төмен болады. Мұндай материалдардың қасиеттері олардың Гук заңымен қаншалықты үйлесімді әсер ететінін, сондай-ақ, деформациядан кейінгі пішінге қайтып оралу қабілетін анықтайды. Осылайша, құрылымдық деңгейдегі ерекшеліктер серпімділіктің негізінде тұр.

18. Ғылым мен техникадағы серпімділік күшінің рөлі

Серпімділік күші ғылым мен техника саласында аса маңызды рөл атқарады. Мысалы, ғарыш техникасында бұл күш құрылғылардың дірілін бәсеңдетуге көмектесіп, олардың ұзақ әрі сенімді жұмыс істеуіне ықпал етеді. Сонымен қатар, көлік құралдарындағы амортизаторлар мен робот техникасындағы механизмдерде серпімділік күшін ескеру олардың жұмыс тиімділігін едәуір арттырады. Өндірістік автоматтандырылған жүйелерде дәл есептелген серпімділік қасиеті машиналардың тұрақты әрі ұзақ мерзімді әрекетін қамтамасыз етеді. Бұл үрдістер серпімділік күшінің инженерлік шешімдер мен техникалық жаңалықтарда қаншалықты маңызды екенін көрсетіп отыр.

19. Серпімділік күшіне қатысқы қызықты фактілер

Серпімділік күші туралы бірнеше қызықты дерек бар. Мысалы, XIX ғасырда Роберт Гук алғаш рет бұл заңды сипаттап, серпімділік күшінің материалдардың деформациясы мен кері қайтуындағы байланысын ашты. Тағы бір қызықты жайт — табиғатта кейбір материалдар, мысалы, адамның бұлшықеттері мен терілері қиын сыртқы әсерлерге төтеп беруге болатын ерекше серпімді құрылымдардан тұрады. Сонымен қатар, серпімділік принциптері спорттық жабдықтар мен кәзіргі замандағы электроника құрылымдарын жобалауда да қолданылып келеді. Мұндай фактілер серпімділіктің тек механикалық құбылыс емес, өміріміздің бір ғана бөлігін емес, тұтас әлемді қамтитынын айқын дәлелдейді.

20. Серпімділік күші мен Гук заңының маңызы

Серпімділік күші мен Гук заңы материалдардың ішкі құрылымын және қасиеттерін терең зерттеуге негіз болып табылады. Бұлар ғылыми және практикалық салада үлкен маңызға ие, себебі болашақ технологиялық жетістіктер мен инновациялар дәл осы заңдар мен принциптерді терең түсінуге негізделеді. Бұл зерттеулер адамзаттың материалдармен жұмыс істеу мүмкіндіктерін кеңейтіп, өндіріс, техника және күнделікті өмір салаларында жаңа бағыттарды ашуға мүмкіндік береді.

Дереккөздер

Гутендах А.Ф. Физика: учебник для средних школ. – Москва: Просвещение, 2017.

Петров В.И. Механика твердого тела. – Санкт-Петербург: Наука, 2019.

Смирнов А.В. Теоретическая физика. М.: Физматлит, 2021.

Материаловедение и теория упругости / Под ред. Н.М. Амосова. – Москва: Наука, 2020.

Окунев В.М. Экспериментальная физика: лабораторный практикум. – Москва: Высшая школа, 2018.

Гук Р. Эксперименты и законы упругости // Известия Кембриджского университета. 1678.

Коваленко В. А. Физика твердого тела. – Москва, 2010.

Сердобинский В. С. Теоретическая и прикладная механика. – Санкт-Петербург, 2015.

Петрова А. В. Современные материалы и их свойства. – Алматы, 2018.

Иванов И. Н. Механика деформаций в инженерии. – Новосибирск, 2021.