Biến dạng cơ học vật rắn

Bài 51: BIẾN DẠNG CƠ CỦA VẬT RẮN
LÝ THUYẾT:
Đặt vấn đề:
Bình thường, vật rắn luôn giữ nguyên hình dạng và kích thước của nó. Nhưng do tác nhân vật lý hoặc hóa học làm cho kích thước và hình dạng của vật rắn bị thay đổi. Như vậy sự biến dạng tuân theo những quy luật nào, phụ thuộc vào những yếu tố nào? Vì sao trong kĩ thuật và đời sống người ta lại quan tâm sự biến dạng của vật rắn?
Trong chương trình vật lí 10, chúng ta chỉ tìm hiểu biến dạng vật rắn do tác nhân vật lý (cơ học và nhiệt).
Thế nào là biến dạng cơ của vật rắn?
Ví dụ:
Xe otô đang chạy với vận tốc lớn (>100km/h) do tài xuế say rượu không làm chủ được tốc độ nên đã tông vào xe taxi đi ngược chiều, cú va chạm đã làm hai xe hư hỏng nặng.
Để tạo nên hình dạng các con dao người thợ rèn đã dùng búa đập mạnh vào các thanh sắt đã nung đỏ.
…
Ở các ví dụ trên rõ ràng vật rắn bị biến dạng khi có ngoại lực đủ lớn tác động lên. Vậy sự thay đổi hình dạng và kích thước của vật rắn do tác dụng của ngoại lực gọi là biến dạng cơ. Vấn đề đặt ra là khi ta ngưng tác dụng lực thì vật rắn có phục hồi lại hình dạng và kích thước ban đầu hay không?
Nếu vật rắn có thể trở về hình dạng ban đầu thì người ta gọi là biến dạng đàn hồi. Ta nói vật có tính đàn hồi.
Nếu vật rắn không trở về hình dạng ban đầu (mất tính đàn hồi) thì đó là biến dạng dẻo.
Dưới đây chỉ khảo sát các loại biến dạng đàn hồi:
Biến dạng kéo và biến dạng nén. Định luật Hook:
Thí nghiệm: lấy một thanh thép nhỏ hình trụ tiết diện đều S có độ dài ban đầu l0 và treo thẳng đứng. Giữ chặt một đầu, đầu còn lại tác dụng lực kéo dọc theo trục của thanh. Tăng dần độ lớn của lực kéo, thanh thép bị dãn ra và có độ dài l lớn hơn ban đầu, đồng thời tiết diện ở phần giữa thanh hơi bị nhỏ lại. Đó là biến dạng kéo. Ngược lại, nếu thay lực kéo bằng lực nén sẽ làm cho chiều dài của thanh bị ngắn lại, đó là biến dạng nén.


Ví dụ: dây cáp của cần cẩu đang chuyển hàng, dây xích của xe đạp hoặc xe máy đang chạy… là những vật rắn bị biến dạng kéo do phải chịu các lực kéo. Trụ và móng cầu, cột, tường và móng nhà…là những vật rắn bị biến dạng nén do phải chịu các lực nén.


Lò xo bị biến dạng nén, kéo.
Kết luận: khi vật có xu hướng biến dạng kéo hoặc nén do ngoại lực tác dụng thì trong vật xuất hiện ứng suất chống lại sự biến dạng đó, nó đặc trưng cho tác dụng kéo hay nén của ngoại lực và còn phụ thuộc vào tiết diện S của thanh. Người ta định nghĩa ứng suất kéo (hay nén) pháp tuyến là lực kéo (hay nén) ứng với một đơn vị diện tích vuông góc với lực.


S (đơn vị: m2): tiết diện ngang của thanh
F ( đv: N) : lực kéo (hay nén)
( (đv: N/m2, Pa) : ứng suất kéo (hay nén).
Ý nghĩa của ứng suất: là đại lượng biểu thị nội lực phát sinh trong vật lên một đơn vị diện tích khi có ngoại lực tác dụng.

Cần phân biệt hai đại lượng ứng suất và áp suất. Mặc dù chúng có cùng thứ nguyên nhưng ý nghĩa khác nhau. Đều có bản chất là lực tác dụng lên một đơn vị diện tích, nhưng ứng suất là khái niệm trong cơ học vật thể rắn, là nội lực trên một đơn vị diện tích; còn áp suất là khái niệm trong cơ học chất lưu (cơ học môi trường liên tục) là áp lực bên ngoài lên một đơn vị diện tích.
Định luật Hook:
Nhà vật lý học người Anh Robert Hook (1635-1703) đã thiết lập bằng thực nghiệm định luật về biến dạng đàn hồi:
“Trong giới hạn đàn hồi, độ biến dạng tỉ đối kéo hay nén của thanh rắn tiết diện đều tỉ lệ thuận với ứng suất gây ra nó.”

(

Có thể viết
hay ( = E.(

: độ biến dạng tỉ đối
E (đv: N/m2): suất đàn hồi (suất Young), đặc trưng cho tính đàn hồi của chất dùng làm thanh rắn.






Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc ứng suất vào độ biến dạng của một số vật liệu.
+ Dạng đường thẳng: ứng suất tỉ lệ thuận với độ biến dạng, vật còn biến dạng đàn hồi nên