Сила упругости

Эту тему лучше изучать после раздела «Работа, мощность, энергия» – мы будем активно использовать переход энергии из потенциальной в кинетическую.

Прыгая на батуте, мы подлетаем гораздо выше, чем прыгая просто на полу, иначе бы никто не прыгал на батуте. Происходит это из-за того, что батут позволяет нам получить больше энергии из наших мышц. Давайте разобьём прыжок на батуте на несколько фаз, начнём с положения, при котором мы находимся в самом верху:

• В высшей точке полёта наша гравитационная потенциальная энергия максимальна, скорость равна нулю.
• Когда мы падаем вниз, наша высота над батутом становится всё меньше и меньше, следовательно, гравитационная потенциальная энергия уменьшается, но увеличивается скорость падения, то есть потенциальная энергия переходит в кинетическую.
• Спустя какое-то время мы касаемся ногами полотна батута, наша скорость уменьшается, но и само полотно с пружинами растягивается, то есть мы тратим кинетическую энергию на совершение работы по растяжению полотна батута и пружин.
• В самой нижней точке, когда мы растянули батут максимально, наша скорость будет равна нулю, но и растяжение батута будет максимально, то есть мы полностью передали кинетическую энергию на совершение работы по растяжению батута. То, что батут растянут, говорит о том, что у него есть потенциальная энергия растяжения.
• Как только сила упругости станет больше веса, с которым мы давим на батут, батут начнёт нас разгонять вверх. Правда, двигаться вверх мы начнём чуть позже: пока скорость не сменит знак, мы ещё продолжаем ехать вниз, просто всё медленнее и медленнее. Потенциальная энергия батута будет совершать работу по выталкиванию нас.

Прыгая без батута мы не передаём энергию батуту, а тратим её на амортизацию ногами.

Закон Гука

Силу упругости не только видно – её можно и посчитать. Чем сильнее мы растянули или сжали пружину, тем сильнее она тянет обратно, и связь тут самая простая, какая только бывает, – прямая пропорциональность:

где:

• $k$ – жёсткость пружины, $\left[\frac{Н}{м}\right]$
• $\Delta l$ – удлинение, то есть насколько пружина стала длиннее или короче, $\left[м\right]$

Это соотношение называют законом Гука. Жёсткость $k$ показывает, насколько тугая нам попалась пружина: у пружинки из шариковой ручки она крохотная, а у пружины автомобильной подвески – огромная, ведь ей приходится держать вес всей машины. Важно понимать, что закон Гука работает не всегда: если растянуть пружину слишком сильно, она уже не вернётся в исходную форму, и формула перестанет что-либо описывать, в таком случае мы можем сказать, что мы превысили предел упрогости.

Сила упругости в газах и жидкостях

Рассуждая о силе упругости, первое, что приходит на ум, – это твёрдые тела, например сжатая пружина либо сжатый волейбольный мяч. Но сила упругости может возникать и в других телах, которые обладают свойством сжатия. Мы помним, что газ сжимается хорошо, а вот жидкость сжимается достаточно плохо, но всё-таки сжимается. Например, в автомобилях и велосипедах часто используется пневмоподвеска – вместо пружин используют сжатый газ. Дело в том, что если автомобиль тяжёлый, например какая-нибудь фура, то обыкновенная стальная металлическая пружина не выдержит такой нагрузки и попросту в какой-то момент сломается. А газ может сжиматься и расширяться неограниченное количество раз.

Ещё силу упругости можно заметить в гидравлических тормозах. Из-за того, что жидкость сжимается крайне плохо, усилие на педаль достаточно точно передаётся на сжатие тормозных колодок. Но если бы использовался газ, а не жидкость, либо если бы в жидкость попало небольшое количество газа, то торможение было бы уже не таким эффективным. Дело в том, что газ бы сжимался, и мы тратили бы часть силы и амплитуды движения педали на сжатие газа.

Направление силы упругости

Сила упругости всегда имеет какое-то направление, и зачастую она направлена в противоположную сторону от направления деформации. Также направление силы упругости совпадает с направлением силы реакции опоры. Но об этом мы поговорим в одной из следующих тем.