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.

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:

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.

Pavyzdžiui, metalai, cukrus, granitas, ir kt. 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. 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. Amorfiniuose kūnuose tik artimiausieji atomai išsidėstę tvarkingai, bet to paties elemento struktūra visomis kryptimis tiksliai nesikartoja.

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 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: SI sistemoje mechaninis įtempis matuojamas paskaliais:

E – proporcingumo koeficientas. 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 – proporcingumo koeficientas. – santykinio pailgėjimo modulis.

Tamprumo modulis (Jungo modulis ) Huko dėsnio formulėje koeficientas E vadinamas tamprumo moduliu, arba Jungo moduliu Tamprumo modulis apibūdina medžiagos pasipriešinimą tampriajai tempimo (arba gniuždymo) deformacijai. SI sistemoje tamprumo modulis matuojamas paskaliais (Pa). Įvairių medžiagų tamprumo modulis yra skirtingas, jo didumas priklauso nuo medžiagos tamprumo savybių.

Tempimo diagrama σp - proporcingumo riba; σt - tamprumo riba; 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. Kokios didžiausios masės žuvis gali kyboti ore, pakabinta ant tokio valo? Kodėl tas pats valas vandenyje išlaiko sunkesnę žuvį? Pabraukite du žodžius, kurie teisingai apibūdina valo deformaciją traukiant sugautą žuvį. šlyties tempimo gniuždymo tampri plastinė 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 1. 2. 3. 4. 5. Dėl į viršų nukreiptos Archimedo jėgos veikiančios žuvį. Tempimo, tampri. 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.) Kokia jėga prikabintas krovinys tempia strypą? Raskite strypo įtempį. Koks santykinis strypo pailgėjimas? Apskaičiuokite absoliutinį strypo pailgėjimą. Kokia ribinė strypo apkrova (N)? Kokios mažiausios masės kūną reikia prikabinti, kad strypas nutrūktų?

Sprendimai ir atsakymai 1. 2. 3. 4. 5. 6.

Nustatykite vario mechaninį įtempį ir Jungo modulį. ( Visi pav Nustatykite vario mechaninį įtempį ir Jungo modulį. ( Visi pav. elementai pavaizduoti tuo pačiu masteliu.)

Ant dviejų varinių vielų pakabintas pasvaras Ant dviejų varinių vielų pakabintas pasvaras. Nustatykite vielos mechaninį įtempį. Ar išlaikys ta viela pasvarą, jei jos stiprumo riba

Literatūra Vidurinio ugdymo bendrosios programos. 2011 Pečiuliauskienė P. Fizika. Išplėstinis kursas. Vadovėlis XI klasei. Antroji knyga. 2008 Tarasonis V. Fizika. II dalis. Vadovėlis XI klasei. 2001 Palubinskienė V. Fizika. Vadovėlis XI-XII klasei. Suaugusiųjų ir savarankiškam mokymuisi. Pirmoji knyga. 2005 Dobson K., Grace D., Lovett D. Fizika. Išplėstinis ir tikslinis kursai. 11-12 klasei. 2001 Andrijauskienė D., Baršauskienė R. Fizikos kompleksiniai uždaviniai XI-XII klasėms. 2001 Fizikos brandos egzaminų užduotys http://mkp.emokykla.lt/imo/lt/fizika/ Elektroninės enciklopedijos Didaktinė medžiaga

Parengė: fizikos vyresnioji mokytoja Regina Nekrevič Eišiškių Stanislovo Rapolionio gimnazija Šalčininkų rajonas 2013