Пластическая и упругая деформация. Деформация
С процессом деформации человек начинает сталкиваться с первых дней своей жизни. Она позволяет нам чувствовать прикосновения. Ярким примером деформации из детства можно вспомнить пластилин. Существуют разные виды деформации. Физика рассматривает и изучает каждый из них. Для начала введём определение самого процесса, а затем постепенно рассмотрим возможные классификации и виды деформации, которые могут возникать в твёрдых объектах.
Определение
Деформация - это процесс перемещения частиц и элементов тела относительно взаимного местоположения в теле. Проще говоря, это физическое изменение внешних форм какого-либо объекта. Есть следующие виды деформации:
- сдвиг;
- кручение;
- изгиб;
Как и любую другую физическую величину, деформацию можно измерить. В простейшем случае используется следующая формула:
е=(р 2 -р 1)/р 1,
где е - это простейшая элементарная деформация (увеличение или уменьшение длины тела); р 2 и р 1 - длина тела после и до деформации соответственно.
Классификация
В общем случае можно выделить следующие виды деформации: упругие и неупругие. Упругие, или обратимые, деформации исчезают после того, как пропадает воздействующая на них сила. Основа этого физического закона используется в силовых тренажёрах, например, в эспандере. Если говорить о физической составляющей, то в основе лежит обратимое смещение атомов - они не выходят за пределы взаимодействия и рамки межатомных связей.
Неупругие (необратимые) деформации, как вы понимаете, являются противоположным процессом. Любая сила, которую приложили к телу, оставляет следы/деформацию. К этому типу воздействия относится и деформация металлов. При таком типе изменения формы зачастую могут меняться и другие свойства материала. Например, при деформации, вызванной охлаждением, может увеличиться прочность изделия.
Сдвиг
Как уже было сказано, существуют различные виды деформации. Они подразделяются по характеру изменения формы тела. В механике сдвигом называют такое изменение формы, при котором нижняя часть бруса закреплена неподвижно, а сила прикладывается касательно к верхней поверхности. Относительная деформация сдвига определяется по следующей формуле:
где Х 12 - это абсолютный сдвиг слоёв тела (то есть расстояние, на которое сместился слой); В - это расстояние между закреплённым основанием и параллельным сдвинутым слоем.
Кручение
Если виды механических деформаций разделяли бы по сложности вычислений, то этот занял бы первое место. Такой вид изменения формы тела возникает при воздействии на него двух сил. При этом смещение любой точки тела происходит перпендикулярно к оси воздействующих сил. Говоря о таком типе деформации, следует упомянуть следующие величины, подлежащие вычислению:
- Ф - угол закручивания цилиндрического стержня.
- Т - момент действия.
- Л - длина стержня.
- Г - момент инерции.
- Ж - модуль сдвига.
Формула выглядит так:
Ф=(Т*Л)/(Г*Ж).
Другая величина, требующая вычисления, это относительный угол закручивания:
Q=Ф/Л (значения берутся из предыдущей формулы).
Изгиб
Это вид деформации, возникающий при изменении положения и формы осей бруса. Он также подразделяется на два типа - косой и прямой. Прямой изгиб - это такой вид деформации, при котором действующая сила приходится прямо на ось рассматриваемого бруса, в любом другом случае речь идёт о косом изгибе.
Растяжение-сжатие
Различные виды деформации, физика которых достаточно хорошо изучена, редко используются для решения различных задач. Однако при обучении в школе один из них зачастую применяется для определения уровня знаний учеников. Кроме этого названия, у данного типа деформации также присутствует другое, которое звучит так: линейное напряженное состояние.
Растяжение (сжатие) происходит, если сила, воздействующая на объект, проходит через центр его массы. Если говорить о визуальном примере, то растяжение приводит к увеличению длины стержня (иногда к разрывам), а сжатие - к уменьшению длины и возникновению продольных изгибов. Напряжение, вызываемое таким видом деформации, прямо пропорционально силе, воздейсвующей на тело, и обратно пропорционально площади поперечного сечения бруса.
Закон Гука
Основной закон, рассматриваемый при деформации тела. Согласно ему, деформация, возникающая в теле, прямо пропорциональна воздействующей силе. Единственная оговорка заключается в том, что он применим только при малых значениях деформации, поскольку при больших значениях и превышении предела пропорциональности эта связь становится нелинейной. В простейшем случае (для тонкого растяжимого бруска) закон Гука имеет следующий вид:
где Ф - это приложенная сила; к - коэффициент упругости; Л - это изменение длины бруса.
Если с двумя величинами всё понятно, то коэффициент (к) зависит от нескольких факторов, таких как материал изделия и его размеры. Его значение также можно вычислить по следующей формуле:
где Е - это модуль Юнга; С - площадь поперечного сечения; Л - длина бруса.
Выводы
На самом деле существует множество способов вычисления деформации предмета. Различные виды деформации используют разные коэффициенты. Виды деформации отличаются не только по форме результата, но и по силам, воздействующим на объект, а для вычислений вам потребуются недюжинные усилия и знания в области физики. Надеемся, что эта статья поможет вам разобраться в понимании базовых физических законов, а также позволит продвинуться немного дальше в изучении этого
ОПРЕДЕЛЕНИЕ
Деформацией в физике называют изменение размеров, объема и часто формы тела, если к телу приложена внешняя нагрузка, например, при растяжении, сжатии или (и) при изменении его температуры.
Деформация появляется в том случае, если разные части тела совершают разные перемещения. Так, например, если резиновый шнур тянуть за концы, то разные его части сместятся относительно друг друга, и шнур окажется деформированным (растянется, удлинится). При деформации изменяются расстояния между атомами или молекулами тел, поэтому появляются силы упругости.
Виды деформации твердого тела
Деформации можно разделить на упругие и неупругие. Упругой называют деформацию, которая исчезает при прекращении действия деформирующего воздействия. При таком виде деформации происходит возврат частиц из новых положений равновесия в кристаллической решетке в старые.
Неупругие деформации твердого тела называют пластическими. При пластической деформации происходит необратимая перестройка кристаллической решетки.
Кроме этого выделяют следующие виды деформации: растяжение (сжатие); сдвиг, кручение.
Одностороннее растяжение заключается в увеличении длины тела, при воздействии силы растяжения. Мерой такого вида деформации служит величина относительного удлинения ().
Деформация всестороннего растяжения (сжатия) проявляется в изменении (увеличении или уменьшении) объема тела. При этом форма тела не изменяется. Растягивающие (сжимающие) силы равномерно распределяются по всей поверхности тела. Характеристикой, такого вида деформации, является относительное изменение объема тела ().
Сдвиг - это вид деформации, при которой плоские слои твердого тела смещены параллельно друг другу. При этом виде деформации слои не изменяют свою форму и размер. Мерой данной деформации служит угол сдвига.
Деформация кручения состоит в относительном повороте параллельных друг другу сечений, перпендикулярных оси образца.
В теории упругости доказано, что все виды упругой деформации могут сводиться к деформациям растяжения или сжатия, которые происходят в один момент времени.
Закон Гука
Рассмотрим однородный стержень, имеющий длину l и площадь сечения S. К концам стержня приложены две силы равные по величине F, направленные по оси стержня, но в противоположные стороны. При этом длина стержня изменилась на величину .
Английским ученым Р. Гуком эмпирически было установлено, что для небольших деформаций относительное удлинение () прямо пропорционально напряжению ():
где E - модуль Юнга; - сила, которая действует на единичную площадь поперечного сечения проводника. Иначе закон Гука записывают как:
где k - коэффициент упругости. Для силы упругости, возникающей в стержне закон Гука имеет вид:
Линейная зависимость между и выполняется в узких пределах, при небольших нагрузках. При увеличении нагрузки зависимость становится нелинейной, а далее упругая деформация переходит в пластическую деформацию.
Примеры решения задач
ПРИМЕР 1
| Задание | Какова потенциальная энергия растянутого упругого стержня, если его абсолютное удлинение составляет , коэффициент упругости равен k? Считайте, что закон Гука при этом выполняется. |
| Решение | Потенциальная энергия () упругого растянутого стержня равна работе (A), которую совершают внешние силы, вызывая деформацию:
где x - абсолютное удлинение стержня, которое при деформации изменяется от 0 до . В соответствии с законом Гука, мы имеем:
Подставим выражение (1.2) в формулу (1.1), имеем: |
Деформацией называют изменение форм и объёма тела под действием нагрузки. При деформации происходит изменение расстояния между частицами тела (атомами, молекулами), вследствие чего возникают силы упругости. Любые деформации твёрдых тел можно отнести к следующим видам: растяжения (сжатия), сдвига, изгиба, кручения.
Деформация растяжения (сжатия). Если к однородному стержню, закреплённому на одном конце, приложить силу вдоль оси стержня в направлении от него, то стержень подвергается растяжению. Деформация растяжения характеризуется абсолютным удлинением и относительным удлинением,
Где – начальная длина, а – конечная длина.
Если на закрепленный стержень подействовать силой F, направленной вдоль оси, к стержню, то стержень подвергнется сжатию. в этом случае. При растяжении или сжатии изменяется площадь поперечного сечения тела.
Деформацией сдвига называют деформацию, при которой происходит смещение слоёв тела друг относительно друга. Этот вид деформации можно наблюдать на модели твёрдого тела, представляющих собой ряд параллельных пластин, соединённых пружинами. Горизонтальная сила сдвигает пластины друг относительно друга на некоторый угол, без изменения объёма.
При упругих деформациях, угол сдвига прямопропорционален модулю приложенной силы.
Деформация изгиба. При изгибе одна сторона – выпуклая- подвергается растяжению, а другая- вогнутая- сжатию. Внутри изгибаемого тела расположен слой, не испытывающий ни растяжения, ни сжатия, называемый нейтральным. Вблизи нейтрального слоя тело почти не испытывает деформаций, поэтому площадь поперечного сечения изгибаемой детали в окрестности нейтрального слоя можно значительно уменьшить. В современной технике вместо сплошных стержней и брусьев применяют трубы, двутавровые балки, рельсы, чем добиваются облегчения конструкций и экономии материала.
Деформация кручения. Если на стержень, один конец которого закреплен, действуют параллельные и противоположные направленные силы, лежащие в плоскости, перпендикулярные оси стержня, то возникает деформация кручения. Деформация кручения представляет собой неоднородный сдвиг.
В результате длительной эволюции кости животного, птиц приобрели трубчатое строение. Это обеспечивает максимальную прочность скелета при данной массе. Детали машин и конструкций часто подвергаются сложным деформациям, но и их можно рассматривать как различные сочетания деформаций растяжения, сжатия, сдвига. Это значительно облегчает расчет механических свойств конструкций, деталей машин.
Человеческое тело испытывает достаточно большую механическую нагрузку от собственного веса и от собственных усилий, возникающих во время трудовой деятельности. Интересно, что на примере тела человека можно проследить все деформации. Деформации сжатия - испытывает позвоночный столб, нижние конечности и покровы ступни. Деформации растяжения – верхние конечности, связки, сухожилия, мышцы. Деформации изгиба кости таза, позвоночник, конечности. Деформация кручения – шея при повороте, кисти рук при вращении.
Предельное напряжение, разрушающее кость плеча, около 8*10 Н/М; предельное напряжение, разрушающее кость бедра, около 13*10 Н/М. Соединение тканей в связках, в легких и так далее обладают большой эластичностью, например, затылочная связка может быть растянута более чем вдвое. Давление, которое производит мальчик массой 45 кг. при площади ботинок 300 см. равно 14700 Па. При ходьбе это давление увеличивается. У девочки, имеющей ту же массу, но меньший размер обуви давление больше, и при ходьбе становится сравнимым давлению гусеничного трактора (47 кПа при массе трактора 6610кг. и площадью опоры 1,4 м). А если девочка встанет на каблуки. Бедные маленькие ножки. Тяжесть тела в такой обуви переносится на пальцы ног, даже пятисантиметровый каблук увеличивает нагрузку на кости большого пальца в два раза.
Определить модуль упругости хрящевой ткани, поперечное сечение которой, 1 см. , если растяжение ткани силой 100 Н вызывает ее относительное удлинение 4,2%.
Сечение бедренной кости в средней ее части, напоминает пустотелый цилиндр, внешним радиусом 11 мм. и внутренним 5 мм. Предел прочности костяной ткани на сжатие 170 мПа, груз, какой минимальной массы может под действием силы тяжести, направленной вдоль кости, может ее сломать?
Медицинский осмотры показывают, что сегодня совершенно здоровым является только один ученик из десяти. По данным детской поликлиники г. Черемхово в 2004-2005 году на 23 обследованных подростка 15-16 лет страдают нарушениями осанки - 1%, сколиозом – 5%; из 71 обследованного подростка 16-17 нарушениями осанки страдают уже 11,3% в 11,3 раза больше; сколиозом же страдают 21%. Таким образом, изучив данные медицинского осмотра, составили диаграмму школьных болезней, связанных с деформацией опорно-двигательного аппарата. Проблема вредного воздействия механических деформаций на скелет существует.
Нас окружает прекрасный мир – живая и неживая природа. Рукотворные и нерукотворные предметы материального мира существуют по законам природы и по своим собственным, присущим только данным предметам закономерностям. Но в этом богатстве жизни живого и неживого мира есть одно свойство, общее для всех существ и объектов. Это – прочность.
Под прочностью материала принято понимать его способность сохраняться длительное время, не поддаваясь разрушению. В русском языке это слово происходит от «Прок» - с оттенком надежности; В. Даль толкует это слово как «Годное на предки». Это качество, которое всякая вещь должна иметь как бы «про запас». О прочности материала можно говорить на всех уровнях. Различают прочность атомных связей, прочность молекулы, кристалла элемента, конструкций, сооружения, небесного тела. Прочностью обладают вода и стекло, металлическая балка и человеческая кость, железобетонная труба и кровеносный сосуд, стебель растения и кирпичная колонна, пчелиная сота и каменное здание, конский волос и стальной канат, ядро атома и наша планета. Прочность – необходимое и единое условие для всего живого существования. Познание человеком прочности начиналось с окружающих его предметов в двух направлениях – в микромир и макромир. Человек держал в реке копье, палку или камень и задумывался о тайне материала, о том, что находится внутри него и что делает камень крепче дерева, а железо крепче камня. Соединение же отдельных элементов между собой давало ему возможность строить сначала простые конструкции, а затем все более и более сложные сооружения. Ученые рассчитали, что если весь период, начиная с появления жизни на земле (примерно 100 млн. лет) до наших дней, принять за сутки, то история человечества займет лишь 2 млн. , в том числе цивилизация (6000 лет) – 5с. Вся же история техники составит лишь 1/30 долю секунды. Щелчок фотоаппарата – во время существования бурной истории техники от первой паровой повозки до космических кораблей – в сутках жизни на Земле! Но в эти мгновения, в эти два века уместились высшие достижения человеческого гения, величайшие открытия законов природы, создание и развитие многих наук, в том числе механики, из которой со временем выделились отрасли, занимающиеся исследованием прочности: сопротивление материалов, теория упругости и пластичности, строительная механика, теория сооружений и другие. Однако в начале 20-го века стало ясно, что одна наука-механика со всеми ее ответвлениями не в состоянии исследовать до конца такое сложное явление, как прочность. Только с помощью объединенных усилий физиков, химиков, технологов и математиков удалось объяснить и описать сложнейшие процессы, происходящие в материале. Именно комплексный подход позволит углубить и развить теорию прочности в наше время.
Конструкторская деятельность природы. Конструкции, созданные природой, совершенны. Целесообразность элементов их строения удивительна и тем больше поражает, чем больше узнаешь о ней. Попробуем рассмотреть конструкторскую деятельность природы на пример из мира живого – человека. Самое совершенное и сложное творение природы – живой организм.
Одним из основных изобретений здесь является механизм, обеспечивающий изменение формы тела или расположение членов в пространстве. Два жестких диска из кости соединены между собой жесткими же, но упругими пружинами, например, из коллагеновых хрящей.
Соответсвующие выступы дисков соединены активной тягой – мышцей и пассивным винтом – сухожилием. Возможны варианты, когда на месте сухожилия также располагается мышца или сухожилие отсутствует, но развиты хрящи. Описанный тип механизма широко распространен. Усложняя или упрощая детали этой схемы, природа применила их среди насекомых, птиц и животных. Для каждого элемента модели природа подобрала специальные материалы со свойствами, в наибольшей степени отвечающими их функции. При этом стоит помнить, что каждый элемент в то же время представляет собой сложную биологическую систему, растущую, постоянно обновляющуюся на молекулярном уровне, питающуюся и производящую работу. Итак, типичный механизм состоит из типичных материалов: кость, хрящ, сухожилие, мышца.
В аналог судебно – медицинской практики вошел такой случай. В человека, шедшего по улице, выстрелил, идущий на встречу субъект. Выстрелил в упор, в лоб, из боевого пистолета. Пострадавший, потрясенный случившимся, проводил глазами убежавшего субъекта и побежал в милицию. Сотрудники милиции, выслушав сбивчивый рассказ взволнованного человека, оказали ему первую помощь и немедленно увезли в судмедэкспертизу. Эксперты не верили своим глазам: на лбу пострадавшего было классическое входное отверстие от пули, а на затылке, точно напротив входного – выходное отверстие со всеми его характерными признаками. Расположение порошин в коже, диаметр отверстия, сдвиг тканей и характер их повреждения не оставляли сомнений: налицо сквозное огнестрельное ранение головы из боевого пистолета патроном крупного калибра. Эксперты недоумевали: человек должен был умереть мгновенно, а он сидел и рассказывал, уже не так взволнованно о случившемся. Его тем не менее отправили в больницу, откуда через несколько дней он выписался. Рентген не показал никаких изменений, и, как только зарубцевалась кожа, человек, здоровый и невредимый, вышел на работу. Что же произошло?
Оказывается, пуля скользнула по поверхности черепа, прошла под кожей вокруг головы и вышла в затылке. Как же кость смогла выдержать такой сильный удар и не разрушиться? Какова ее прочность?
Человек попадает в аварию, его конечности оказываются под движущимся транспортом, под вращающимися деталями рабочего механизма, под падающим грузом. Как при этом будут сопротивляться механической нагрузке кости и ткани человека? Имеются ли какие -то механические характеристики частей человеческого тела?
В течение многих веков ученые собирали различные данные, сопоставляли, экспериментировали. В последние десятилетия развилась наука – биомеханика, изучающая сопротивления материала живых тканей.
На прочность костей животных люди обратили внимание еще в первобытные времена более того, это свойство ими активно использовалось. Их кости изготавливались ножи, иглы, наконечники стрел и копи, мотыги, щиты. Из крупных костей таких животных как киты, мамонты и другие строились даже жилые помещения, где кости использовались как колонны, балки, плиты.
Строение кости пытались постичь и древние греки, и ученые эпохи возрождения (в частности Галилей). Однако детальное исследование ее свойств началось только в девятнадцатом веке. Одним из первых, кто попытался изучить прочность кости человека на растяжение, считают французского исследователя Вертхайма, который в 1874 году опубликовал результаты растяжения до разрыва тонких полосок из большой и малой берцовых костей свежих трупов людей в возрасте от1-го года да 74-х лет. Он обнаружил, что у женщин кости на 25 % менее прочны, чем у мужчин, а кость мужчин показала прочность почти 1000кг/см. Немецким ученым Роубером в 1876 году были проведены более тщательные исследования, при которых вырезались образцы с учетом направления волокон кости. После чего исследованием прочности кости стали заниматься многие ученые.
В начале прочность кости изучалась так же, как и прочность неорганических материалов. Было замечено, что прочность кости на растяжении поперек волокон ее ткани в 10 раз меньше, чем прочность вдоль волокон, которая достигала 2200кг/см2. Это равносильно рабочим напряжениям в современных стальных конструкциях. Что касается сопротивления сжатию, то оказалось,что прочность кости сильно зависит от скорости приложения сжимающей силы и при больших скоростях достигает величины 4000кг/см2.
В результате всех этих исследований было сделано два серьезных вывода. Во – первых, выяснилось, что кость в процессе жизни человека приспосабливается к нагрузкам, упрочняя и развивая (иногда до уродства) свой материал и конструкцию в местах наибольшего действия сил. Во – вторых стало понятно, что конструкция кости скелета такова, что она с наименьшими затратами энергии достигает наибольшего функционального эффекта. Так, обеспечение жесткости и изгиба в протяженных костях происходит благодаря тому, что они представляют собой трубчатые конструкции с наиболее прочным, минерализованным слоем, расположенным на периферии. Прочность костей, на которые действует большое местное давление, например в суставах, увеличивается за счет специальных протяженных структур, называемых на языке специалистов костными балками и направленных по линиям действия наибольших главных напряжений.
Твердость собственно кости как материала обеспечивает сложное неорганическое минеральное вещество типа апатита, которым как бы наполнена органическая пространственная сеть.
Костная ткань пронизана остеонами – трубчатыми ветвящимися образованиями с толстыми стенками и тонкими каналами для кровеносных сосудов. Остеоны располагаются вдоль кости и состоят на 70% из неорганических кристаллов, вытянутых так же вдоль оси. Длина кристаллов – до 0,04мк, ширина – до 0,003мк. Таким образом, кость является сложным структурным образованием с анизотропными свойствами. Сама анизотропия – неравенство свойств во всех направлениях – также может рассматриваться как разумное решение проблемы: зачем сохранять одинаковую прочность во всех направлениях, когда она нужна, если говорить о функциях, только в одном направлении? И в этих случаях природа выбрала наиболее целесообразный путь.
СКЕЛЕТ. Опорно – двигательный аппарат выполняет ряд функций. Скелет – это остов, к которому прикрепляются мышцы и некоторые внутренние органы, расположенные в полостях, образованных костями скелета, надежно защищены от ударов и повреждений. Это защитная функция скелета. Форма тела человека зависит от скелета. Следовательно, скелет выполняет формообразующую функцию. Кости играют роль рычагов при движениях. Благодаря хрящевым прослойкам в местах соединения костей при ходьбе, беге и других движениях, смягчаются толчки и сотрясения тела. Такова амортизационная (рессорная) функция скелета. В губчатом веществе костей находится красный костный мозг, где образуются эритроциты и лейкоциты. Следовательно, кости скелета участвуют в кроветворении. Кости обладают прочностью, упругостью и легкостью. Скелет взрослого человека весит всего около 80Н. Многие кости полые внутри, это уменьшает их массу но не влияет на прочность. Прочность и упругость обусловлены сочетанием в костях органического вещества оссеина и оссеомукаида (1/3). Твердость кости зависит от минеральных веществ – солей кальция (2/3). Следовательно, сочетание органических и неорганических веществ в живой кости придает ей необычайную крепость и упругость. Чем моложе человек, тем больше в его костях оссеина, который придает ей гибкость. Чем старше человек, тем больше в его костях минеральных солей, которые придают им твердость; при уменьшении оссеина кости становятся хрупкими. Исследования показывают, что при таком сочетании кость выдерживает давление равное 16 кг/см2. Рассматривая препараты костей, можно обнаружить, что костные пластинки губчатого вещества расположены в направлениях наибольшего растяжения и сжатия костей.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Таким образом, изучив состояние здоровья подростков, приходим к выводу, что данная проблема актуальна и заслуживает первостепенного внимания педагогов, родителей, так как связана с проблемами здоровья и долголетия человека. Проведенные исследования показали воздействие механических деформаций на растущий организм, приводящие к серьезным нарушениям. Длительное, постоянное воздействие механических деформаций изгиба может вызвать сколиоз, при этом происходит смещение сердца, печени, легких.
У детей школьного возраста продолжается процесс окостенения скелета и постепенного укрепления мышечно 8- связочного аппарата. Вся опорно – двигательная система ребенка в этот пе- риод интенсивно приспосабливается к новым нагрузкам, новым условиям. Образ жизни ребенка, его привычки накладывают отпечаток на форму позвоночника, формируют осанку. Под влиянием неблагоприятных воздействий у детей относительно легко появляются различные искривления позвоночника. Тяжесть подобных заболеваний особенно ярко проявляются у младших школьников и подростков, причем чаще у девочек, чем у мальчиков. Это объясняется большой подвижностью мальчиков, которая способствует сохранению правильной осанки и устранении возникающих искривлений.
ОСАНКА – это привычная поза при сидении, стоянии, ходьбе. Правильной считается осанка, при которой все изгибы позвоночника равномерно и умеренно выражены, голова расположена прямо, плечи, лопатки и гребни подвздошных костей находятся на одной линии. Осанка вырабатывается в процессе роста, физического развития и воспитания у детей навыков сохранения правильной позы. Хорошая осанка ребенка – это собранность и подтянутость без напряжения. Манера правильно держаться важна не только с эстетической стороны. Неправильная осанка оказывает отрицательное влияние на здоровье ребенка: у него нарушаются кровообращение, дыхание, пищеварение. Сутулая спина, запавшая грудь не дают возможности легким функционировать нормально. Их жизненная емкость ниже нормальной. Недостаток кислорода влечет за собой нарушение окислительных процессов, что ведет, в свою очередь, к понижению сопротивляемости организма к неблагоприятным влияниям внешней среды.
Одно из самых тяжелых нарушений осанки – сколиоз. Он связан не только с деформацией скелета, но и с нарушениями в правильности развития мышц. При сколиозе смещаются сердце, печень, легкие.
К особенно часто встречающимся нарушениям осанки и деформациям позвоночника остаются вялая спина, плоская спина, сутулая спина.
ВЯЛАЯ СПИНА характеризуется резко выраженными шейными и грудными изгибами позвоночника. Голова у детей опущена, плечи сдвинуты вперед. Грудная клетка запавшая, лопатки отстают от спины, живот выступает вперед, ноги в коленных суставах слегка согнуты.
ПЛОСКАЯ СПИНА, выражается в уменьшении всех изгибов позвоночника. Плечи опущены вниз и слегка выдаются вперед, живот выпячен (особенно в нижней части).
ПРИ СУТУЛОЙ СПИНЕ – особенно сильно развит грудной изгиб позвоночника. Плечи сильно свисают вперед, уменьшена поясничная кривизна, сильно выпячен живот.
Причинами возникновения дефектов осанки, сколиозов могут быть: недостаточное развитие мускулатуры, неравномерность развития мышц, удерживающих позвоночник в правильном положении, перенесение некоторых болезней, таких как рахит, при котором довольно часто деформируется грудная клетка, неправильный режим жизни ребенка, несоответствующая росту и пропорциям тела мебель, недостаточная освещенность рабочего места (неправильная поза), неудобная одежда (сдавливающие грудную клетку лифчики, тугие или слабые пояса).
Дети, у которых выявлены дефекты осанки, должны находиться под особым наблюдением. Необходимо постоянно следить за правильностью их позы во время занятий в школе и дома. На уроках физкультуры детей с нарушениями осанки не выделяют в специальную группу, но дополнительно проводят корригирующую гимнастику. Корригирующие гимнастические упражнения – это система физических упражнений, укрепляющих определенные группы мышц и способствующих правильному развитию всего организма. Корригирующие гимнастические упражнения включают упражнения для укрепления мышц, для улучшения координации движений, для исправления дефектов осанки, для закрепления правильной осанки. Основным оборудованием классной комнаты является парта (ученический стол и стул). Основным требованием к школьной мебели является соответствие ее размеров росту и пропорциям тела ребенка. Высота сидения парты должна соответствовать длине голени со стопой ребенка с прибавлением 2 см на высоту каблука. При более высоком сидении ноги не будут иметь опоры. При меньшей высоте сидения уменьшается площадь опоры бедра. Глубина сидения парты должна равняться 2/3 длины бедра. При большей глубине сидения край его упирается в подколенную ямку ноги и сдавливает кровеносные сосуды и нервы. Кроме того сидение должно иметь небольшой уклон сзади, воизбежании соскальзывания с него. Гигиеническим требованиям больше отвечает спинка парты, состоящая из двух брусков, что обеспечивает две площади опоры – поячснично-крестцовую и подлопаточную.
Высота стола парты над сиденьем (дифференциация) может быть большой, малой и нормальной. При большой дифференциации (высокий стол) происходит правостороннее искривление позвоночника. При малой дифференциации (низкий стол)- учащиеся сидят, низко склонившись над партой, при этом развивается сутулость. Нормальная дифференциация обеспечивает наилучшие физиологические и гигиенические условия для работы школьника. Ручки и карандаши слишком толстые и слишком тонкие увеличивают напряжение мышц при письме, при рисовании. Для учащихся начальных классов рекомендуются ручки диаметром 7-8 мм, длиной 155мм и массой 10г. Паста для письма рекомендуется синяя, темно-фиолетовая, черная. Бумага в тетрадях и учебниках – белая, с матовой поверхностью. Для ношения школьных принадлежностей школьникам рекомендуются ранцы. Ношение ранца за спиной способствует формированию правильной осанки. Он плотно прилегает к спине, прижимает лопатки и равномерно давит на плечи сверху вниз. В таком положении дыхание ребёнка свободно. Ношение портфеля, сумки часто приводит к деформациям неокрепшего позвоночника, нарушению осанки.
В ходе изучения данной темы было выявлено, что влияние механических деформаций можно снизить при помощи:
1) Выполнения корректирующей гимнастики.
2) Выполнения гигиенических требований к оборудованию классных помещений и школьных принадлежностей.
3) Приобретения обуви соответствующего размера, причём обувь должна быть на каблуке не более ¼ длины стопы.
Под внешним воздействием тела могут деформироваться.
Деформация - изменение формы и размеров тела. Причина деформации заключается в том, что различные части тела совершают неодинаковые перемещения при действии на тело внешних сил.
Деформации, которые полностью исчезают после прекращения действия силы, - упругие , которые не исчезают, - пластические .
При упругих деформациях происходит изменение расстояния между частицами тела. В недеформированном теле частицы находятся в определенных положениях равновесия (расстояния между выделенными частицами - см. рис. 1, б), в которых силы отталкивания и притяжения, действующие со стороны других частиц, равны. При изменении расстояния между частицами одна из этих сил начинает превышать другую. В результате возникает равнодействующая этих сил, стремящаяся вернуть частицу в прежнее положение равновесия. Равнодействующая сил, действующих на все частицы деформированного тела, и есть наблюдаемая на практике сила упругости. Таким образом, следствием упругой деформации является возникновение упругих сил.
При пластической деформации , как показали наблюдения, смещения частиц в кристалле имеют совсем другой характер, чем при упругой. При пластической деформации кристалла происходит соскальзывание слоев кристалла относительно друг друга (рис. 1, а, б). Это можно увидеть с помощью микроскопа: гладкая поверхность кристаллического стержня после пластической деформации становится шероховатой. Соскальзывание происходит вдоль слоев, в которых больше всего атомов (рис. 2).
При таких смещениях частиц тело оказывается деформированным, но на смещенные частицы при этом не действуют "возвращающие" силы, так как у каждого атома в его новом положении такие же соседи и в таком же числе, как и до смещения.
При расчете конструкций, машин, станков, тех или иных сооружений, при обработке различных материалов важно знать, как будет деформироваться та или иная деталь под действием нагрузки, при каких условиях ее деформация не будет влиять на работу машин в целом, при каких нагрузках наступает разрушение деталей и т.д.
Деформации могут быть очень сложными. Но их можно свести к двум видам: растяжению (сжатию) и сдвигу.
Линейная деформация возникает при приложении силы вдоль оси стержня, закрепленного с одного конца (рис. 3, а, б). При линейных деформациях слои тела остаются параллельными друг другу, но изменяются расстояния между ними. Линейную деформацию характеризуют абсолютным и относительным удлинением.
Абсолютное удлинение , где l - длина деформированного тела, - длина тела в недеформированном состоянии.
Относительное удлинение - отношение абсолютного удлинения к длине недеформированного тела.
На практике растяжение испытывают тросы подъемных кранов, канатных дорог, буксирные тросы, струны музыкальных инструментов. Сжатию подвергаются колонны, стены и фундаменты зданий и т.д.
Возникает под действием сил, приложенных к двум противоположным граням тела так, как показано на рисунке 4. Эти силы вызывают смещение слоев тела, параллельных направлению сил. Расстояние между слоями не изменяется. Любой прямоугольный параллелепипед, мысленно выделенный в теле, превращается в наклонный.
Мерой деформации сдвига является угол сдвига - угол наклона вертикальных граней (рис. 5).
Деформацию сдвига испытывают, например, заклепки и болты, соединяющие металлические конструкции. Сдвиг при больших углах приводит к разрушению тела - срезу. Срез происходит при работе ножниц, пилы и др.
Деформации изгиба подвергается балка, закрепленная с одного конца или закрепленная с двух концов, к середине которой подвешен груз (рис. 6). Деформация изгиба характеризуется стрелой прогиба h - смещением середины балки (или его конца). При изгибе выпуклые части тел испытывают растяжение, а вогнутые - сжатие, средние части тела практически не деформируются - нейтральный слой . Наличие среднего слоя практически не влияет на сопротивляемость тела изгибу, поэтому такие детали выгодно делать полыми (экономия материала и значительное снижение их массы). В современной технике широко используются полые балки, трубки. У человека кости тоже трубчатые.
Деформацию кручения можно наблюдать, если на стержень, один конец которого закреплен, действует пара сил (рис. 7), лежащих в плоскости, перпендикулярной оси стержня. При кручении отдельные слои тела остаются параллельными, но поворачиваются друг относительно друга на некоторый угол. Деформация кручения представляет собой неравномерный сдвиг. Деформации кручения возникают при завинчивании гаек, при работе валов машин.
Деформация растяжения - вид деформации, при которой нагрузка прикладывается продольно от тела, то есть соосно или параллельно точкам крепления тела. Проще всего растяжение рассмотреть на буксировочном тросе для автомобилей. Трос имеет две точки крепления к буксиру и буксируемому объекту, по мере начала движения трос выпрямляется и начинает тянуть буксируемый объект. В натянутом состоянии трос подвергается деформации растяжения, если нагрузка меньше предельных значений, которые может он выдержать, то после снятия нагрузки трос восстановит свою форму.
Деформация растяжения является одним из основных лабораторных исследований физических свойств материалов. В ходе приложения растягивающих напряжений определяются величины, при которых материал способен:
1. воспринимать нагрузки с дальнейшим восстановлением первоначального состояния (упругая деформация)
2. воспринимать нагрузки без восстановления первоначального состояния (пластическая деформация)
3. разрушаться на пределе прочности
Данные испытания являются главными для всех тросов и веревок, которые используются для строповки, крепления грузов, альпинизма. Растяжение имеет значение также при строительстве сложных подвесных систем со свободными рабочими элементами.
Деформация сжатия
Деформация сжатия - вид деформации, аналогичный растяжению, с одним отличием в способе приложения нагрузки, ее прикладывают соосно, но по направлению к телу. Сдавливание объекта с двух сторон приводит к уменьшению его длины и одновременному упрочнению, приложение больших нагрузок образовывает в теле материала утолщения типа «бочка».
Деформация сжатия широко используется в металлургических процессах ковки металла, в ходе процесса металл получает повышенную прочность и заваривает дефекты структуры. Сжатие также важно при строительстве зданий, все элементы конструкции фундамента, свай и стен испытывают давящие нагрузки. Правильный расчет несущих конструкций здания позволяет сократить расход материалов без потери прочности.
Деформация сдвига
Деформация сдвига - вид деформации, при котором нагрузка прикладывается параллельно основанию тела. В ходе деформации сдвига одна плоскость тела смещается в пространстве относительно другой. На предельные нагрузки сдвига испытываются все крепежные элементы - болты, шурупы, гвозди. Простейший пример деформации сдвига – расшатанный стул, где за основание можно принять пол, а за плоскость приложения нагрузки – сидение.
Деформация изгиба
Деформация изгиба - вид деформации, при котором нарушается прямолинейность главной оси тела. Деформации изгиба испытывают все тела подвешенные на одной или нескольких опорах. Каждый материал способен воспринимать определенный уровень нагрузки, твердые тела в большинстве случаев способны выдерживать не только свой вес, но и заданную нагрузку. В зависимости от способа приложения нагрузки при изгибе различают чистый и косой изгиб.
Значение деформации изгиба важно для проектирования упругих тел, таких, как мост с опорами, гимнастический брус, турник, ось автомобиля и другие.
Деформация кручения
Деформация кручения – вид деформации, при котором к телу приложен крутящий момент, вызванный парой сил, действующих в перпендикулярной плоскости оси тела. На кручение работают валы машин, шнеки буровых установок и пружины.
Зако́н Гу́ка - уравнение теории упругости, связывающее напряжение и деформацию упругой среды. Открыт в 1660 году английским учёным Робертом Гуком. Поскольку закон Гука записывается для малых напряжений и деформаций, он имеет вид простой пропорциональности.
В словесной форме закон звучит следующим образом:
Сила упругости, возникающая в теле при его деформации, прямо пропорциональна величине этой деформации
Для тонкого растяжимого стержня закон Гука имеет вид:
Здесь - сила, которой растягивают (сжимают) стержень, - абсолютное удлинение (сжатие) стержня, а - коэффициент упругости (или жёсткости).
Коэффициент упругости зависит как от свойств материала, так и от размеров стержня. Можно выделить зависимость от размеров стержня (площади поперечного сечения и длины ) явно, записав коэффициент упругости как
Величина называется модулем упругости первого рода или модулем Юнга и является механической характеристикой материала.
Если ввести относительное удлинение
и нормальное напряжение в поперечном сечении
то закон Гука в относительных единицах запишется как
В такой форме он справедлив для любых малых объёмов материала.
Также при расчёте прямых стержней применяют запись закона Гука в относительной форме
Модуль Юнга (модуль упругости) - физическая величина, характеризующая свойства материала сопротивляться растяжению/сжатию при упругой деформации . Назван в честь английского физика XIX века Томаса Юнга. В динамических задачах механики модуль Юнга рассматривается в более общем смысле - как функционал среды и процесса. В Международной системе единиц (СИ) измеряется в ньютонах на метр в квадрате или в паскалях.
Модуль Юнга рассчитывается следующим образом:
· E - модуль упругости,
· F - сила,
· S - площадь поверхности, по которой распределено действие силы,
· l - длина деформируемого стержня,
· x - модуль изменения длины стержня в результате упругой деформации (измеренного в тех же единицах, что и длина l ).
Через модуль Юнга вычисляется скорость распространения продольной волны в тонком стержне:
где - плотность вещества.
