Номер 2, страница 172 - гдз по физике 10 класс учебник Кабардин, Орлов

2. Процессы, происходящие внутри деформируемого твёрдого тела.

2. Процессы, происходящие внутри деформируемого твёрдого тела.

При приложении внешних сил к твёрдому телу оно изменяет свою форму и размеры, то есть деформируется. В ответ на это внешнее воздействие внутри тела возникают внутренние процессы, которые противодействуют деформации и определяют механическое поведение материала. Основными процессами являются возникновение внутренних напряжений, упругая и пластическая деформации, а также разрушение.

1. Возникновение внутренних напряжений. Деформация приводит к смещению атомов или молекул из их положений равновесия в кристаллической решётке (или аморфной структуре). В результате этого смещения возникают внутренние силы упругости, стремящиеся вернуть частицы в исходное положение. Мерой этих внутренних сил, отнесённой к единице площади поперечного сечения, является механическое напряжение $\sigma$. Оно рассчитывается по формуле $\sigma = \frac{F}{A}$, где $\text{F}$ – внутренняя сила, а $\text{A}$ – площадь сечения. Напряжения являются ключевой характеристикой, описывающей состояние нагруженного материала.

2. Упругая деформация. Это обратимая деформация, которая полностью исчезает после снятия внешней нагрузки. Внутри тела при упругой деформации происходит растяжение или сжатие межатомных связей, но без изменения взаимного расположения атомов в решётке. Атомы смещаются из своих положений равновесия, и потенциальная энергия системы возрастает. После снятия нагрузки накопленная упругая энергия освобождается, и тело восстанавливает свою первоначальную форму. Для многих материалов в области упругой деформации справедлив закон Гука, который устанавливает линейную зависимость между напряжением $\sigma$ и относительной деформацией $\varepsilon = \frac{\Delta L}{L_0}$ (где $\Delta L$ – абсолютное удлинение, а $L_0$ – начальная длина):
$\sigma = E \varepsilon$
Здесь $\text{E}$ – это модуль Юнга (или модуль упругости), характеризующий жёсткость материала. Чем выше модуль Юнга, тем большее напряжение требуется для создания той же деформации.

3. Пластическая деформация. Если напряжение в материале превышает определённое значение, называемое пределом упругости (или пределом текучести), деформация становится необратимой. Эта остаточная деформация после снятия нагрузки называется пластической. Внутренний механизм пластической деформации в кристаллических телах коренным образом отличается от упругой. Он связан не просто с растяжением связей, а с перемещением дефектов кристаллической структуры, в первую очередь, дислокаций. Дислокация – это линейный дефект решётки. Под действием напряжений дислокации начинают двигаться, что приводит к проскальзыванию одних кристаллических плоскостей относительно других. Этот процесс требует значительно меньших энергий, чем одновременный сдвиг целых плоскостей атомов, поэтому пластическая деформация начинается при напряжениях, намного меньших теоретической прочности идеального кристалла. В ходе пластической деформации дислокации могут размножаться и взаимодействовать друг с другом, что приводит к явлению деформационного упрочнения (наклёпа) – материал становится прочнее, но теряет пластичность.

4. Разрушение. Это заключительная стадия деформации, при которой происходит разделение тела на части. Разрушение наступает, когда напряжения достигают величины, равной пределу прочности материала. Процесс разрушения на микроуровне заключается в зарождении и последующем распространении трещин. Различают два основных типа разрушения:
- Вязкое разрушение: ему предшествует значительная пластическая деформация. Процесс включает в себя образование микропор, их рост и слияние в магистральную трещину. Такое разрушение требует больших затрат энергии.
- Хрупкое разрушение: происходит без заметной пластической деформации. Трещина зарождается и быстро распространяется через тело, что требует малых затрат энергии. Хрупкому разрушению способствуют низкие температуры, высокая скорость нагружения и наличие концентраторов напряжений (например, уже существующих трещин).

Кроме того, в деформируемом теле могут протекать и другие, зависящие от времени процессы:
- Ползучесть: медленная, непрерывная пластическая деформация под действием постоянной нагрузки, особенно заметная при высоких температурах. Механизм связан с термически активируемым движением дислокаций и диффузией атомов.
- Усталость: процесс постепенного накопления повреждений и разрушения материала под действием циклически изменяющихся (повторяющихся) нагрузок. Усталостное разрушение начинается с зарождения микротрещины в зоне концентрации напряжений, которая затем постепенно растёт с каждым циклом нагрузки до тех пор, пока оставшееся сечение не сможет выдерживать нагрузку и не произойдёт окончательное разрушение.

Ответ: Внутри деформируемого твёрдого тела под действием внешних сил происходят следующие ключевые процессы: возникновение внутренних сил и напряжений, противодействующих деформации; упругая деформация, связанная с обратимым растяжением/сжатием межатомных связей и описываемая законом Гука; пластическая деформация, представляющая собой необратимое изменение формы за счёт движения дефектов кристаллической структуры (дислокаций); и, наконец, разрушение, заключающееся в зарождении и распространении трещин, приводящее к разделению тела на части. Также могут наблюдаться зависящие от времени процессы, такие как ползучесть и усталость.