Номер 3, страница 172 - гдз по физике 10 класс учебник Кабардин, Орлов

3. Виды деформации и методы их наблюдения.

Решение

Деформация — это изменение относительного положения частиц тела, приводящее к изменению его формы и (или) размеров. Деформации возникают под действием внешних сил, а также в результате других физических явлений, таких как изменение температуры (тепловое расширение), фазовые переходы или наличие электромагнитных полей.

Виды деформации

Деформации классифицируют по разным признакам.

По способности тела восстанавливать свою форму:

• Упругая деформация: Полностью исчезает после снятия внешней нагрузки. Тело возвращается к своим первоначальным размерам и форме. Это происходит, когда смещения атомов от положений равновесия невелики. Примером может служить растяжение пружины в пределах ее упругости.

• Пластическая (остаточная) деформация: Сохраняется в теле после прекращения действия внешних сил. Возникает, когда напряжения в материале превышают предел упругости. Этот вид деформации связан с необратимыми перестройками во внутренней структуре материала. Примеры: лепка из глины, ковка металла.

По геометрии приложения сил и характеру изменения формы:

1. Растяжение

Возникает, когда к телу (например, стержню) приложены две силы, направленные вдоль его оси в противоположные стороны. Эта деформация приводит к увеличению длины тела и, как правило, к уменьшению его поперечных размеров. Количественно характеризуется относительным удлинением $\epsilon = \frac{\Delta l}{l_0}$, где $\Delta l$ — абсолютное удлинение, а $l_0$ — начальная длина.

2. Сжатие

Является противоположностью растяжения. Силы направлены вдоль оси тела навстречу друг другу, что вызывает уменьшение его длины и увеличение поперечных размеров. Количественные характеристики аналогичны растяжению, но удлинение $\Delta l$ имеет отрицательное значение.

3. Сдвиг

Происходит, когда внешние силы действуют по касательной к поверхности тела, вызывая смещение одних его слоев относительно других. Примером может служить работа ножниц, разрезающих бумагу. Деформация сдвига характеризуется углом сдвига $\gamma$, который представляет собой угол, на который отклоняются боковые грани элементарного куба, изначально перпендикулярные направлению сил.

4. Кручение

Это сложный вид деформации, который можно рассматривать как частный случай сдвига. Он возникает, когда к стержню прикладываются моменты сил, действующие в плоскостях, перпендикулярных его оси (например, при закручивании винта отверткой). При этом поперечные сечения стержня поворачиваются друг относительно друга на некоторый угол, называемый углом закручивания.

5. Изгиб

Сложный вид деформации, представляющий собой комбинацию растяжения и сжатия. Он возникает, когда на тело (балку, плиту) действуют силы, перпендикулярные его оси. При изгибе одна часть тела (внешние слои на выпуклой стороне) испытывает растяжение, а другая (на вогнутой стороне) — сжатие. Между этими зонами находится так называемый нейтральный слой, длина которого не изменяется.

Методы наблюдения деформаций

Для количественной и качественной оценки деформаций используются различные методы, которые можно условно разделить на несколько групп.

1. Геодезические методы

Применяются для мониторинга деформаций крупных инженерных сооружений (зданий, мостов, плотин) и земной поверхности. Основные методы:

• Высокоточное нивелирование: Измерение вертикальных смещений (осадок, прогибов) с помощью нивелиров.

• Линейно-угловые измерения: Определение горизонтальных смещений путем измерения расстояний и углов между специальными марками (точками) на объекте с помощью электронных тахеометров.

• Спутниковые методы (GPS/ГЛОНАСС): Определение трехмерных координат точек на поверхности объекта с высокой точностью, что позволяет отслеживать все компоненты смещений в динамике.

2. Контактные механические и физические методы

Предполагают установку измерительных приборов непосредственно на исследуемый объект.

• Тензометрия: Наиболее распространенный метод измерения локальных деформаций на поверхности деталей. Используются тензорезисторы — датчики, чье электрическое сопротивление изменяется пропорционально их деформации. Датчик наклеивается на поверхность, и по изменению его сопротивления судят о величине деформации $\epsilon$.

• Экстензометры: Приборы для измерения изменения расстояния между двумя точками на поверхности объекта (базы измерения). Бывают механическими (рычажными, индикаторными), оптическими, струнными, емкостными.

• Прогибомеры, инклинометры, щелемеры: Специализированные датчики для измерения прогибов, углов наклона и ширины раскрытия трещин соответственно.

3. Бесконтактные оптические методы

Эти методы не требуют прямого контакта с объектом, что позволяет исследовать горячие, вращающиеся или труднодоступные объекты.

• Фотоупругость: Качественный и количественный метод анализа напряжений и деформаций. Основан на явлении искусственного двойного лучепреломления, возникающего в некоторых прозрачных материалах (например, оргстекле) под нагрузкой. Позволяет визуализировать распределение напряжений в виде цветных интерференционных картин.

• Интерферометрические методы (в т.ч. голографическая и спекл-интерферометрия): Основаны на явлении интерференции света. Обладают чрезвычайно высокой чувствительностью и позволяют измерять перемещения, сопоставимые с длиной световой волны (микроны и доли микрона).

• Метод цифровой корреляции изображений (Digital Image Correlation, DIC): Современный и мощный метод, позволяющий строить поля перемещений и деформаций на поверхности объекта. Метод заключается в сравнении цифровых фотографий поверхности до и после деформации. Специальное программное обеспечение отслеживает смещение характерных точек и по ним рассчитывает деформацию.

Ответ:

Деформации классифицируются по физическому характеру на упругие и пластические, а по геометрии приложения сил — на растяжение, сжатие, сдвиг, кручение и изгиб. Для их наблюдения и измерения применяют широкий спектр методов: геодезические (нивелирование, GPS) для контроля крупных объектов; контактные физические (тензометрия, экстензометрия) для точных локальных измерений на поверхности деталей; и бесконтактные оптические (фотоупругость, интерферометрия, цифровая корреляция изображений), которые позволяют визуализировать поля напряжений и деформаций без прямого контакта с объектом.