Пружність
 
а б в г д е ж з и й к л м н о п р с т у ф х ц ч ш щ ъ ы ь э ю я
 

Пружність

Пружність, властивість макроскопічних тіл чинити опір зміні їх об'єму або форми під впливом механічної напруги. При знятті прикладеної напруги об'єм і форма пружно деформованого тіла відновлюються.

  В. тіл обумовлена силами взаємодії атомів, з яких вони побудовані. У твердих тілах при температурі абсолютного нуля у відсутності зовнішньої напруги атоми займають рівноважні положення, в яких сума всіх сил, що діють на кожен атом з боку останніх, дорівнює нулю, а потенційна енергія атома мінімальна. Окрім сил тяжіння і відштовхування, залежних лише від відстані ( мал. 1 ) між атомами (центральні сили), в багатоатомних молекулах і макроскопічних тілах діють також кутові сили, залежні від т.з. валентних кутів між прямими, що сполучають даний атом з різними його сусідами ( мал. 2 ). При рівноважних значеннях валентних кутів кутові сили також урівноважені. Енергія макроскопічного тіла залежить від міжатомних відстаней і валентних кутів, набуваючи мінімального значення при рівноважних значеннях цих параметрів.

  Під дією зовнішньої напруги атоми зміщуються зі своїх рівноважних положень, що супроводиться збільшенням потенційної енергії тіла на величину, рівну роботі зовнішньої напруги по зміні об'єму і форми тіла. Після зняття зовнішньої напруги конфігурація пружно деформованого тіла з нерівноважними міжатомними відстанями і валентними кутами виявляється нестійкою і мимоволі повертається в рівноважний стан, точніше, атоми вагаються біля рівноважних положень. Запасена в телі надлишкова потенційна енергія перетворюється на кінетичну енергію атомів, що коливаються, тобто в тепло. Поки відхилення міжатомних відстаней і валентних кутів від їх рівноважних значень малі, вони пропорційні силам, що діють між атомами, подібно до того як подовження або стискування пружини пропорційно прикладеній силі. Тому тіло можна представити як сукупність атомів-кульок, сполучених пружинами, орієнтації яких фіксовані ін. пружинами ( мал. 2 ). Константи пружності цих пружин визначають модулі пружності матеріалу, а пружна деформація тіла пропорційна прикладеній напрузі, тобто визначається Гуку законом, який є основою пружності теорії і опори матеріалів.

  При кінцевих температурах (нижче за температури плавлення) навіть без додатка і зняття зовнішньої напруги атоми здійснюють малі теплові коливання біля положень рівноваги. Це приводить до того, що модулі пружності матеріалу залежать від температури, але не міняє істоти розглянутих явищ.

  В рідині теплові коливання мають амплітуду, порівнянну з рівноважною відстанню r 0 , унаслідок чого атоми легко міняють своїх сусідів і не чинять опір дотичній напрузі, якщо вони прикладаються з швидкістю, значно меншій швидкості теплових коливань. Тому рідини (як і гази) не володіють пружністю форми.

  В газоподібному стані середні відстані між атомами або молекулами значно більше, чим в тому, що конденсує. Пружність газів (пари) визначається тепловим рухом молекул, ударяющихся об стінки судини, що обмежує об'єм газу.

  Літ.: Фейнман Р., Лейтон Р., Сендс М., Фейнмановськие лекції з фізики, [ст] 7, М., 1966, гл.(глав) 38, 39; Смирнов А. А., Молекулярно-кінетична теорія металів, М., 1966, гл.(глав) 2; Френкель Я. І., Введення в теорію металів, 4 видавництва, Л., 1972, гл.(глав) 2.

  А. Н. Орлів.

Мал. 1. Залежність потенційної енергії взаємодії двох атомів від відстані r між ними. Рівноважний стан r 0 відповідає найменшому значенню потенційної енергії. На цій відстані сили тяжіння і відштовхування між атомами урівноважені.

Мал. 2. Кулькова модель елементарного вічка кубічного кристала: а — в рівновазі за відсутності зовнішніх сил; би — при дії зовнішнього дотичного напруга.