Текст выступления:

Серпімділік күші. Гук заңы
1. Серпімділік күші және Гук заңы: негізгі ұғымдар мен сабақтың басты тақырыптары

Бұл презентацияның басты мақсаты – серпімділік күші мен Гук заңын терең түсіндіріп, олардың физикадағы және күнделікті өмірдегі маңызын ашу. Серпімділік пен деформация сияқты күрделі ұғымдарды жете игеру арқылы, оқушылар табиғаттағы көріністерді және инженерлік есептеулердің негіздерін жақсырақ түсіне алады.

2. Серпімділік күшіне кіріспе және табиғи құбылыстардағы мәні

Серпімділік – табиғатта кең таралған, ал күнделікті өмірімізде кездесетін маңызды физикалық құбылыс. Мысалы, серпімді ойыншықтар мен резеңке баулардың икемділігі мен созылуы олардың серпімділік қасиеттеріне негізделген. Бұл құбылыс біздің қоршаған ортамыздағы заттардың қалай өзгеріске ұшырап, кейін қайта қалпына келетіндігін түсінуге көмектеседі.

3. Серпімділік күші анықтамасы

Серпімділік күші – физикада дененің пішіні бұзылғанда, яғни деформацияланған кезде оны бастапқы қалпына қайтаруға тырысатын күш ретінде анықталады. Бұл күштің бағыты әрқашанда деформацияға қарама-қарсы бағытталады, оған қарсы әрекет етеді. Мысалы, созылған серіппені алдымен созу күші, ал серпімділік күші керісінше әрекет етеді. Сондай-ақ, бұл күш денеге сыртқы күш түсірілгенде ғана пайда болып, дененің бастапқы формасын сақтауға күш салады. Оның шамасы дененің ұзару ұзындығына, яғни деформация деңгейіне тәуелді. Гук заңы бойынша серпімділік күші мен деформация сызықтық байланысты білдіреді, яғни күші неғұрлым ұзарған сайын, соғұрлым үлкен болады.

4. Серпімділік күші табиғатта және күнделікті өмірде

Серпімділік күші біздің айналамызда көптеген көріністерде кездеседі. Мысалы, тұрып қалған ағаш бұтағы желге шалқынғанда иіліп, кейін бастапқы орнына қайтып келеді. Бұл ағаштың серпімділігі оның зақымданбауын қамтамасыз етеді. Тағы бір мысал ретінде теннис допты айтуға болады: доптың пішіні үстелге соғылғанда сәл деформацияланады, бірақ тез арада қайта қалыпты қалпына келеді. Сондай-ақ, серіппенің автомобиль суспензиясында қолданылуы жолдың тегіссіздіктерін басуға мүмкіндік береді. Осылайша, серпімділік күші табиғатта да, техникада да маңызды рөл атқарады.

5. Деформация: пішін мен көлемнің өзгеруі

Деформация – денеге сырттан күш әсерінен оның пішіні мен көлемінің өзгеруі. Мысалы, бір зат созылғанда ұзарып, қысқарғанда көлемі өзгереді. Қысқаша айтқанда, дене сыртқы күштің әсерімен өзінің формасын уақытша немесе тұрақты түрде өзгерте алады. Серпімді деформация кезінде дене күш алуды тоқтатқанда, бастапқы формасына қайта оралады. Бұл процесс толық кері қайтатын, уақытша өзгеріс болып саналады. Алайда, пластикалық деформация кезінде дененің пішіні қайтымсыз өзгереді, яғни бастапқы күйіне қайта оралу мүмкін емес. Бұл әдетте материалдың қасиеттеріне, оның тұтқырлығына және құрылымына байланысты болып келеді.

6. Серпімділік және пластикалық деформацияны салыстыру

Серпімді деформация – уақытша құбылыс, мысалы, серіппе созылғанда ұзарып, күш алынған соң бастапқы қалпына келеді. Бұл процесс дененің өзінің бастапқы пішініне қайта оралу қасиетін көрсетеді. Үйкеліссіз жағдайда бұл өзгеріс толық қайтып келеді. Ал пластикалық деформация кезінде дене тұрақты және қайтымсыз түрде пішінін өзгертеді. Мысалы, пластилинді илеу кезінде оның формасы өзгеріп, бұрынғы қалпына келмейді. Бұл деформация түрі материалдың құрылымдық ерекшеліктерімен байланысты және өнеркәсіпте металл өңдеу сияқты салаларда маңызды.

7. Серпімділік күші формуласы және шамалары

Серпімділік күші физикада Fсерп = -k·x формуласымен сипатталады. Мұндағы Fсерп – серпімділік күші ньютонмен өлшенеді, ал минус таңбасы күш бағыты ұзару бағытына қарама-қарсы екенін білдіреді. "k" – қаттылық коэффициенті, яғни материалдың немесе серіппенің қаншалықты қатты екенін көрсетеді, оны ньютон/метрмен өлшейді. "x" – дененің ұзару немесе қысқару ұзындығы (метрмен). Бұл формула көбінесе деформацияның бастапқы шектері ішінде ғана дұрыс қолданылады және үлкен деформацияларға сәйкес келмеуі мүмкін.

8. Гук заңының физикалық мазмұны

Гук заңы бойынша серпімділік күші деформацияның ұзындығына тікелей пропорционал: ұзару ұлғайған сайын, күш те көбейеді. Бұл заң тек серпімді деформация шегінде қолданылады, яғни дене бастапқы пішінін қалпына келтіретін сәтте жарамды. Заңның көмегімен инженерлер құрылыс материалдарының беріктігін, серпімділігін дұрыс есептеп, оларды қажеттілікке сай жобалай алады. Бұл материалдарды пайдалану тиімділігін арттыруға мүмкіндік береді.

9. Гук заңындағы теріс таңбаның мәні

Гук заңындағы формуладағы минус таңба серпімділік күшінің әрқашан деформация бағытына қарама-қарсы екенін білдіреді. Бұл күш денені бастапқы қалпына қайтаруға ұмтылатын әсер етеді, яғни деформацияға қарсы бағытталған. Қаттылық коэффициенті "k" материалдың түріне және оның геометриялық пішініне байланысты өзгереді. Мысалы, созылған болат серіппесінің қаттылығы жоғары, яғни "k" мәні үлкен, ал резеңке бау өте икемді, сондықтан оның қаттылығы төмен.

10. Серпімділік күшінің ұзаруға тәуелділігі график түрінде

Ұсынылған графикте серпімділік күші мен ұзару арасындағы тура пропорционалдық байланыс айқын көрінеді. "x" өзгерген сайын, Fсерп да артып отырады. Бұл тәжірибелік деректер Гук заңын нақты растайды. Яғни, материал неғұрлым созылған сайын оған түсетін серпімділік күші де пропорционалды түрде өйеді, бұл заңның негізгі принципін көрсетеді. Мұндай графиктер инженерлік есептеулер мен құрылымдардың беріктілігін тексеруде өте маңызды.

11. Материалдардың қаттылық коэффициенттері

Кестеде әр түрлі материалдардың қаттылық коэффициенттері берілген. Ең қатты материалдар қатарында болат серіппесі бар, ол күштерге төзімділігімен танымал. Ал резеңке ең жұмсақ материал болып есептеледі, оның қаттылық коэффициенті төмен, сондықтан ол иілгіш әрі созылады. Осы коэффициенттерді салыстыру арқылы инженерлер материалды таңдау кезінде оның механикалық қасиеттерін дұрыс бағалай алады. Бұл фактілер құрылыс, механика және техника салаларында маңызды.

12. Серпімділік күшінің шынайы өмірдегі мысалдары

Төсек матрасындағы серіппелер – тамаша мысал. Олар жүктеме салғанда басыла қалады да, жүктеме алынып тасталған соң бастапқы қалыпқа тез оралады. Бұл оқушыларға серпімділік күшінің практикалық маңыздылығын көрсетуге ықпал етеді. Резеңке бауды кергенде, ол ұзарлады, бірақ күш алынған соң бұрынғы ұзындығына қайта келеді. Велосипедтің серіппелі амортизаторы жолдағы соққыларды жұмсартып, жүргізушінің жайлығын қамтамасыз етеді. Бұл жүйеде серпімділік күші энергияны сіңіруге және қайта шығаруға ерекше қызмет етеді.

13. Серпімділік күшінің пайда болу кезеңдері

Серпімділік күшінің пайда болу процесі негізгі бірнеше кезеңнен тұрады. Алдымен, сыртқы күш әсерінен дене деформацияланады. Кейін, материал ішінде серпімділік қасиеттері іске қосылып, кері әрекет күші пайда болады. Осы күш дененің бастапқы пішініне оралуға талпынуына негіз болады. Осы кезеңдер өзара тығыз байланысты және бір-бірінен тәуелді. Бұл үрдістерді түсіну инженерияда материалдардың беріктігін есептеуде аса маңызды.

14. Гук заңының ашылу тарихы

Гук заңы 1660 жылы ағылшын ғалымы Роберт Гуктың зерттеулерінен бастау алады. Ол материалдардың серпімділігі мен деформациясын алғаш рет нақты түрде сипаттаған. Бұл заң физика мен инженерия саласындағы маңызды негізге айналды. Кейіннен басқа ғалымдар заңды кеңейтіп, түрлі материалдарға қолданды. Гук заңын ашу ғылым мен техника дамуына мол ықпал етті, әсіресе құрылыс пен машинаның беріктігін есептеуде.

15. Роберт Гуктың өмірі және ғылыми жетістіктері

Роберт Гук (1635–1703) – ағылшын ғалымы, табиғат философы және инженер. Ол микроскопты жетілдіру, сәулет және материалтану саласындағы көптеген жаңалықтармен танымал болды. Гуктың атымен аталған заң физика ғылымында фундаментальдық рөл атқарады. Оның зерттеулері материалдардың механикалық қасиеттерін зерттеуге негіз болды. Ғалымның еңбектері ғылым тарихында ерекше орын алып, бүгінде де оқытудың негізі ретінде пайдаланылады.

16. Гук заңының техника және тұрмыстағы қолданысы

Гук заңының физика мен инженерия саласындағы маңыздылығы зор, әсіресе оның техника мен тұрмыста кеңінен қолданылуы бұл заңның әмбебаптығын дәлелдейді. Механикалық сағаттарда серіппелердің серпімділік күші уақытты дәл әрі тұрақты өлшеуге мүмкіндік береді. Бұл принцип сағаттардың минут пен секундтарды үнемі және дәл көрсетуіне себепші болады.

Автомобильдердің қауіпсіздігіне ерекше үлес қосатын амортизаторлар да Гук заңы негізінде жасалған. Олар жолдағы соққыларды жұтып, жүргізушілер мен жолаушылардың ыңғайлылығы мен қорғанысын қамтамасыз етеді. Сонымен қатар, құрылыс саласында серіппелер мен сейсмикалық абсорберлер ғимараттарды жер сілкінісі секілді төтенше табиғи құбылыстардан қорғауда маңызды рөл атқарады. Бұл құрылғылар ғимараттың құрылымын жарылып кетуден сақтап, адам өмірін сақтауға бағытталған инновациялық шешімдердің бірі.

Медициналық құралдарда да серпімділік заңдарының қолданылуы ерекше маңызды. Протездер мен емдеу құрылғыларына орнатылған серіппелер науқастардың денелеріне үйлесімді түрде әсер етіп, қозғалыстың табиғилығын қалпына келтіруге көмектеседі. Осылайша, Гук заңы өмірдің әр саласында адамның қауіпсіздігі мен жайлылығын арттыруда таптырмас құрал ретінде қызмет етеді.

17. Серпімділік құбылысының шектеулері мен қауіптері

Дегенмен, Гук заңымен жұмыс жасау барысында белгілі бір шектеулер мен қауіптерді ескеру қажет. Бұл заң тек материалдың серпімділік шегінде — яғни, қысқару немесе ұзару көлемі белгілі бір қатаң межеден аспаған кезде ғана дәл қолданылады. Егер материалға қатты күш түссе, оның пішіні тұрақты өзгеріп, пластикалық деформацияға ұшырайды. Бұл — серіппе немесе құрылғының бастапқы пішініне қайта орала алмайтын күйі.

Қосымша қауіп– материалдың тым жоғары кернеуге ұшырауынан оның сынғыш күйге өтуі мен бөлшектенуі мүмкіндігі. Бұл құбылыс техника мен құрылыс саласында ауыр зардаптарға әкелуі ықтимал. Сондықтан, материалдың беріктігі мен қауіпсіздік шегін шынайы есептеп, есептелген шектен артпайтын өлшемдерде қолдану аса маңызды. Ғылыми зерттеулер бұл шектеулер мен қауіптерді ескеріп, материалдардың сенімділігін арттыруға бағытталған.

18. Таңғажайып серпімділік: ғылыми зерттеулер мен қызықты деректер

Серпімділік құбылысына қатысты ғылыми жұмыстар ғасырлар бойы зерттеліп келеді. Мысалы, XVIII ғасырда Роберт Гук өз тәжірибелері арқылы серіппелердің пішінін қалай өзгерте алатынын сипаттады. Ол сол кезде «материалдардың ішкі күші» туралы жаңа түсінік енгізді.

Қызықты деректерге тоқталсақ, кейбір дәстүрлі эскимостық қаруларының серіппелері табиғи материалдардан, мысалы, киттің киттері мен өсімдік талшықтарынан жасалған. Бұл да қатаң Гук заңдарының негізінде болатын, бірақ табиғи материалдардың серпімділік қасиеттерін шебер пайдалану болып табылады.

Жақында ғалымдар қарапайым серіппелердің орнына нанотехнология негізіндегі серпімді материалдарды енгізу арқылы робот техникасында жаңа серпіліс жасауда. Бұл материалдар жоғары беріктікпен қатар, жеңіл әрі иілгіш болып, болашақ технологиялардың дамуында үлкен рөл атқарады.

19. Гук заңын білу не үшін маңызды?

Гук заңын түсіну инженерия мен физика саласында маңызды қадамы болып табылады. Бұл заң құрылыс материалдарының қалай мінез-құлық жасайтынын болжауға мүмкіндік береді, соның арқасында ғимараттар мен құрылғылардың қауіпсіздігі мен беріктілігі қамтамасыз етіледі.

Сонымен қатар, мектеп оқушылары бұл заңды спорт жабдықтарын, тұрмыстық техникаларды және басқа да құралдарды тиімді пайдалану мен жөндеуде қолдана алады. Мысалы, велосипедтің серіппелері немесе спорттық аяқ киімдегі амортизаторлар – осы заңның негізінде жасалған.

Физиканың бұл қарапайым заңын меңгеру ғылыми таным мен технологияның дамуына жол ашады. Ол жаңа идеялар мен инновациялық жобаларды жүзеге асыруға септігін тигізеді, осылайша білім мен практиканың бірлігін көрсетеді.

20. Қорытынды және серпімділік күшінің заманға сай маңызы

Серпімділік күшін және Гук заңын зерттеу қазіргі заман оқушыларына табиғаттағы және күнделікті өмірдегі құбылыстарды терең түсінуге мүмкіндік береді. Бұл заңдар ғылым мен инновацияның іргетасын қалыптастырып, технологиялық дамудың орталық элементтерінің бірі болып табылады. Олар біздің өмірімізді жеңілдетеді және жаңа жетістіктерге жол ашады.

Дереккөздер

Гутенмахер Е.Ф. Физика для школьников и студентов. – М.: Просвещение, 2020.

Кравец В.В. Теоретическая механика. – СПб.: Питер, 2019.

Левин В.М. Основы физики. – М.: Наука, 2018.

Роберт Гук және Гук заңының тарихы // Физика в школе, 2022.

Тимошенко С.П. Теория упругости. – М.: Машиностроение, 2017.

Гук Р. "Серпімділік заңы туралы экспериментальдық зерттеулер". Лондон, 1678.

Жұмабаев Т., Сейсенбаев Ә. "Материалтану негіздері". Алматы, 2018.

Иванов П. Н. "Құрылыс материалдарының беріктігі мен серпімділігі". Москва, 2015.

Brown J. "Elasticity and Its Applications". New York, 2020.