Transcript Darbas - Fizika Visiems

Kietieji kūnai
Uždavinys: analizuoti mechanines kietųjų kūnų
savybes, taikant jas apibūdinančius fizikinius
dydžius ir jų tarpusavio sąryšius.
Kietieji kūnai
• Kietojo kūno molekulės erdvėje išsidėsto tankiai ir
tvarkingai. Laisvai judėti jos negali, todėl tik svyruoja apie
pusiausvyros padėtį. Dėl šios priežasties kietieji kūnai
išlaiko ne tik tūrį, bet ir formą.
• Visi kietieji kūnai skirstomi į dvi grupes:
1. kristalinius
2. amorfinius kūnus
Kristaliniai kūnai
• Kietieji kūnai, kurių atomai (molekulės arba jonai ) erdvėje
išsidėstę tvarkingai ir sudaro periodiškai pasikartojančią vidinę
struktūrą, vadinami kristaliniais kūnais, arba kristalais.
• Prie jų priskiriami deimantas, valgomoji druska, grafitas
kvarcas, įvairūs metalai ir pan.
• Būdingiausias kristalinių kūnų išorinis
požymis – taisyklinga geometrinė forma,
kuri kartais pastebima paprasta akimi, o
kartais – žiūrint pro mikroskopą.
Monokristalai
Pavieniai dideli kristalai vadinami monokristalais.
Didžiulis dirbtinis monokristalas auginamas Saint-Gobain
Lydymasis
• Šildant kristalinius kūnus, didėja dalelių greičiai, o kartu ir
atstumai tarp jų. Pasiekus tam tikrą temperatūrą, kristalinė
gardelė pradeda irti – kūnas lydosi.
• Visą lydymosi laiką kūno temperatūra nekinta ir yra lygi
lydymosi temperatūrai.
• Lydymosi metu kūnui suteikiama šiluma sunaudojama
kristalinėms gardelėms suardyti.
• Kai T=Tlyd, kūnui išlydyti reikalingas šilumos kiekis
proporcingas jo masei:
Q   m
Anizotropija
• Kristalo fizinių savybių priklausomybė nuo krypties
kristalo viduje vadinama anizotropija.
• Įvairiomis kryptimis kristaliniai kūnai nevienodai praleidžia
šilumą, elektrą, šviesą, garsą, skirtingai plečiasi ir kt.
Pavyzdžiui, grafito kristalas lengvai skyla viena kryptimi.
• Kristalams anizotropija būdinga dėl to,
kad tvarkingai išsidėsčiusių atomų,
molekulių arba jonų sąveikos jėgos ir
atstumai tarp jų skirtingomis kryptimis
yra nevienodi.
• Kristalai šiuo metu plačiai naudojami
puslaidininkinėje elektronikoje, lazerių
gamyboje ir kitose srityse.
Polikristalai
• Kietasis kūnas, sudarytas iš daugybės vienas su kitu
suaugusių mažų kristalėlių, vadinamas polikristalu.
Pavyzdžiui, metalai, cukrus, granitas, ir kt.
• Dėl netvarkingo kristalėlių išsidėstymo fizinės polikristalų,
taigi ir metalų, savybės visomis kryptimis yra vienodos.
• Kietojo kūno fizinių savybių nepriklausymas nuo
pasirinktos krypties jo viduje vadinamas izotropija.
• Taigi polikristalinės medžiagos yra izotropiškos.
Amorfiniai kūnai
• Amorfiniais vadinami kietieji kūnai, kurių fizinės savybės vienodos
visomis kryptimis. Visi amorfiniai kūnai yra izotropiški.
• Amorfiniuose kūnuose tik artimiausieji
atomai išsidėstę tvarkingai, bet to paties
elemento struktūra visomis kryptimis
tiksliai nesikartoja.
• Prie amorfinių kietųjų kūnų priskiriami sukietėjusios smalos gabalai,
gintaras, stiklas ir jo gaminiai, polimerai. Kai kurios medžiagos
(pavyzdžiui, siera, kvarcas) gali būti ir kristalinės, ir amorfinės būsenos.
• Skirtingai negu kristaliniai kūnai, amorfiniai kūnai neturi pastovios
kietiejimo ir lydymosi temperatūros. Šildomi amorfiniai kūnai
laipsniškai minkštieja ir suskystėja. Ribos tarp kietosios ir skystosios
fazės nėra.
Kietųjų kūnų deformacijos
• Deformacija - kūno formos arba tūrio kitimas.
• Deformacijos, kurios visiškai išnyksta, nustojus veikti
išorinėms jėgoms, vadinamos tampriosiomis
deformacijomis. Ją patiria tamprios spyruoklės, susiduriantys
plieniniai rutuliukai ir t.t.
• Deformacijos, kurios neišnyksta, nustojus veikti išorinėms
jėgoms, vadinamos plastinėmis. Plastines deformacijas
patiria vaškas, plastilinas, molis ir kt.
• Visas kietųjų kūnų deformacijas galima skirstyti į dvi
deformacijų rūšis: tempimo ( arba gniuždymo ) ir šlijimo.
Tempimo (gniuždymo) deformacija
• Tempimo deformacija reiškiasi tada, kai jėgos veikia
kūną viena tiese priešingomis kryptimis į išorę.
• Kai jėgos veikia kūną viena tiese priešpriešiais į
vidų, kūnas yra gniuždomas.
• Tempimo deformaciją
apibūdina absoliutusis
pailgėjimas
ir
santykinis pailgėjimas
l  l  l0
l
 
l0
• Tempimo deformaciją patiria liftų lynai, keliamųjų įrenginių grandinės,
žmogaus sausgyslės ir raumenys, gitaros stygos ir t. t.
• Gniuždymo deformaciją patiria pastatų pamatai, stulpai, kaulai ir t. t.
Šlijimo deformacija
• Deformacija, kurios metu kūno sluoksniai pasislenka
lygiagrečiai vieni kitų atžvilgiu, vadinama šlijimo
deformacija. Ją kūnai patiria tada, kai išorinės jėgos juos
veikia priešpriešiais išilgai lygiagrečių plokštumų. Tada
lygiagrečios kūno dalys slysta viena kitos atžvilgiu.
• Šlijimo deformaciją apibūdina šlyties kampas .

• Šlijimo deformaciją patiria uolienos, ledynai kalnų šlaituose,
detales jungiantys varžtai, kniedės ir t. t.
Mechaninis įtempis
• Kiekviename deformuojamo kūno pjūvyje atsiranda
tamprumo jėgos, neleidžiančios kūnui sutrūkinėti į atskiras
dalis.
• Tokią kūno būseną apibūdina mechaninis įtempis –
fizikinis dydis, lygus tamprumo jėgos modulio Ft ir kūno
skerspjūvio ploto S santykiui:
Ft
 
S
• SI sistemoje mechaninis įtempis matuojamas paskaliais:
N
   1 2  1Pa
m
Huko dėsnis
• Ryšį tarp kūno mechaninio įtempio ir santykinės
deformacijos ( esant mažoms deformacijoms ) nustatė
R. Hukas (Hooke; 1675 m.), ir ši priklausomybė vadinama
Huko dėsniu.
• Kūnui mažai deformuojantis, mechaninis įtempis σ yra
tiesiogiai proporcingas kūno santykiniam pailgėjimui ε:
  E
E – proporcingumo koeficientas.

– santykinio pailgėjimo modulis.
Tamprumo modulis (Jungo modulis )
• Huko dėsnio formulėje koeficientas E vadinamas tamprumo
moduliu, arba Jungo moduliu

E 

• SI sistemoje tamprumo modulis matuojamas paskaliais (Pa).
• Tamprumo modulis apibūdina medžiagos pasipriešinimą
tampriajai tempimo (arba gniuždymo) deformacijai.
• Įvairių medžiagų tamprumo modulis yra skirtingas, jo didumas
priklauso nuo medžiagos tamprumo savybių.
Tempimo diagrama
• Mechaninio įtempio priklausomybės
nuo kūno santykinio pailgėjimo grafinis
vaizdas vadinamas tempimo diagrama.
σp - proporcingumo riba;
σt - tamprumo riba;
σst - stiprumo riba.
OA - mechaninis įtempis proporcingas pailgėjimui (galioja Huko
dėsnis).
AB - įtempis nėra tiesiogiai proporcingas santykiniam pailgėjimui,
bet dar neatsiranda didelės liekamosios deformacijos.
BC - plastinės deformacijos dalis.
CD - medžiagos takumo dalis (kūnas ilgėja nedidinant apkrovos).
Tamprumo ir stiprumo ribos
• Didžiausias įtempis, kuriam veikiant dar neatsiranda
liekamosios deformacijos (santykinė liekamoji deformacija neviršija 0,1%),
vadinamas tamprumo riba σt.
• Didžiausias mechaninis įtempis (atitinkantis tašką E), kurį
medžiaga gali išlaikyti, vadinamas stiprumo riba σst.
• Už stiprumo ribos įtempis staiga sumažėja ir kūnas suyra
(taškas K).
• Stiprumo riba priklauso nuo medžiagos, iš kurios padarytas
kūnas, ir jos apdirbimo.
Apibendrinimas
• Mokslo ir gamybos pažanga didžia dalimi priklauso nuo
reikiamas savybes turinčių kietųjų medžiagų, todėl kietųjų
kūnų tyrimams fizikoje skiriamas ypatingas dėmesys. Iš
stiprių medžiagų galima pastatyti patikimus statinius, sukurti
patvarius įrenginius.
• Bemaž pusė pasaulio fizikų šiuo metu užsiima kietojo kūno
fizika – tiria kietųjų medžiagų struktūrą ir jos ryšį su
mechaninėmis, elėktrinėmis ir magnetinėmis, optinėmis
savybėmis, kietuosiuose kūnuose vykstančius reiškinius.
Užduotys
Ant ritelės užrašyta: 0,12 mm skersmens
kaproninis meškeriojimo valas trūksta esant
7,5 N apkrovai. Laisvojo kritimo pagreitis 10m/s².
1. Kokios didžiausios masės žuvis gali kyboti ore, pakabinta ant tokio
valo?
2. Kodėl tas pats valas vandenyje išlaiko sunkesnę žuvį?
3. Pabraukite du žodžius, kurie teisingai apibūdina valo deformaciją
traukiant sugautą žuvį.
šlyties
tempimo
tampri
gniuždymo
plastinė
4. Atlikę skaičiavimus įrodykite, kad kaprono stiprumo riba, t.y.
mechaninis įtempis, kuriam esant valas trūksta, lygus 663 MPa.
5. Kokie yra Jungo, arba tamprumo modulio SI vienetai?
Sprendimai ir atsakymai
P
7,5
;m 
 0,75(kg ).
1. m 
g
10
2. Dėl į viršų nukreiptos Archimedo jėgos veikiančios žuvį.
3. Tempimo, tampri.
F
d 2
4F
;S 
; 
4.  
S
4
d 2
4  7,5
8
 

6
,
63

10
( Pa).
4 2
3,14(1,2 10 )
5. Paskaliai (Pa) arba N/m².
• Prie tampraus plieninio strypo, kurio ilgis 2 m,
skerspjūvio plotas 4 mm², pakabintas 50 kg masės
krovinys. (Plieno tamprumo modulis lygus 0,22 TPa,
stiprumo riba 500 MPa.)
1. Kokia jėga prikabintas krovinys tempia strypą?
2. Raskite strypo įtempį.
3. Koks santykinis strypo pailgėjimas?
4. Apskaičiuokite absoliutinį strypo pailgėjimą.
5. Kokia ribinė strypo apkrova (N)?
6. Kokios mažiausios masės kūną reikia prikabinti, kad strypas
nutrūktų?
Sprendimai ir atsakymai
1.
F  m g; F  490N .
2.
F
  ;   122,5MPa.
S
3.
4.
5.
6.


;   5,57 10 .
4
E
l  l0   ; l  1,11m m.
Fst   st  S ; Fst  2kN .
m1 
 st  S
g
; m1  204kg.
Nustatykite vario mechaninį įtempį ir Jungo
modulį.
( Visi pav. elementai pavaizduoti tuo pačiu masteliu.)
Ant dviejų varinių vielų pakabintas pasvaras.
Nustatykite vielos mechaninį įtempį.
Ar išlaikys ta viela pasvarą, jei jos stiprumo
8
riba  st  6,5 10 Pa ?
Literatūra
1. Vidurinio ugdymo bendrosios programos. 2011
2. Pečiuliauskienė P. Fizika. Išplėstinis kursas. Vadovėlis XI klasei. Antroji
knyga. 2008
3. Tarasonis V. Fizika. II dalis. Vadovėlis XI klasei. 2001
4. Palubinskienė V. Fizika. Vadovėlis XI-XII klasei. Suaugusiųjų ir
savarankiškam mokymuisi. Pirmoji knyga. 2005
5. Dobson K., Grace D., Lovett D. Fizika. Išplėstinis ir tikslinis kursai.
11-12 klasei. 2001
6. Andrijauskienė D., Baršauskienė R. Fizikos kompleksiniai uždaviniai
XI-XII klasėms. 2001
7. Fizikos brandos egzaminų užduotys
8. http://mkp.emokykla.lt/imo/lt/fizika/
9. Elektroninės enciklopedijos
10. Didaktinė medžiaga
Parengė: fizikos vyresnioji mokytoja
Regina Nekrevič
Eišiškių Stanislovo Rapolionio gimnazija
Šalčininkų rajonas
2013