Deformatsioon

Kehadevaheline vastastikmõju ei avalda mõju mitte ainult liikuvatele kehadele, vaid ka liikumatutele kehadele. Sellise mõju tõttu võib muutuda nii keha kuju kui ka ruumala. Selle kohta ütleme, et kehale mõjuvate jõudude toimel keha deformeerub. Deformatsioone on kahte liiki – elastne deformatsioon ja plastne ehk mitteelastne deformatsioon.

Elastse deformatsiooni korral keha esialgne kuju peale jõudude mõju lakkamist taastub, plastse deformatsiooni korral aga ei taastu.

Sa istud pehmele diivanile ning vajud sinna sügavale sisse. Diivanipadja kuju muutub. Niipea, kui diivanilt tõused, taastub padja esialgne kuju. Diivanipadi on elastne. Kui sa aga voolid plastiliini pulgast kujukese, siis selle esialgne kuju ei taastu. Plastiliin on plastne.

Plastset deformatsiooni kasutatakse mitmesuguste esemete valmistamiseks. Vajaliku kujuga keha saamist rullikute vahelt läbi laskmise abil nimetatakse valtsimiseks.

Valtspink

Kehad on elastsed teatud piirides. Selle ületamisel muutub elastne deformatsioon plastseks või keha puruneb. Vedrut võib nii tugevalt tõmmata, et selle esialgne pikkus täpselt ei taastu; joonlaua võib katki murda jne.

Vedru venitamisel või kokkusurumisel mõjub vedru poolt välisele jõule vastassuunaline jõud, mis püüab viia vedru algasendisse tagasi. Vedru on elastne, sest peale välise jõu mõju lakkamist taastab vedru oma esialgse kuju. Seetõttu nimetatakse vedrus mõjuvat jõudu elastsusjõuks.

Elastsusjõu omadusi saab uurida järgmise katsega.

Katsevahendid: pikk vedru, statiiv, koormised ja mõõtejoonlaud.

Katse eesmärk: uurida vedru elastsusjõu sõltuvust vedru pikenemisest.

Katse skeem on toodud joonisel. Kinnitame vedru ühe otsa statiivi külge nii, et vedru ripuks vertikaalselt. Riputame vedru otsa koormise raskusjõuga F_r. Selle tulemusena vedru pikeneb mingi pikkuse l võrra. Vedru pikenemist mõõdame mõõtejoonlauaga, mille asetame vertikaalselt nii, et joonlaua nullpunkt (0 cm) oleks kõrgusel, kus on vabalt rippuva vedru alumine ots.

Koormise mõjul vedru pikenes, mis tähendab, et vedru poolt mõjub koormisele sama suur, kuid vastassuunaline elastsusjõud, mis püüab vedru esialgsesse olekusse tagasi viia. Rakendades erinevaid koormisi, saame uurida vedru elastsusjõu sõltuvust vedru pikenemisest.

Katse tulemused on toodud tabelis.

Joonistame välja katsetulemustele vastava graafiku.

Tegemist on võrdelise sõltuvusega. Matemaatikud kirjutaksid selle kujul y = ax. Meie anname sõltuvuse vastavate füüsikaliste suuruste kaudu

F_e = kl,

kus võrdetegur k sõltub vedrust ja seda nimetatakse vedru jäikuseks.

Mida suurem on vedru jäikus, seda raskem on vedru venitada (või kokku suruda). Vedru jäikus avaldub valemiga $k=\frac{F_e}{l}.$ Selle arvutamiseks saame kasutada katse­andmeid. Võttes tabelist viimase rea andmed, saame $k=\frac{5\text{ N}}{\text{0}\text{,20 m}}=25\frac{\text{N}}{\text{m}}.$ Vedru jäikus on arvuliselt võrdne jõuga, mida oleks vaja rakendada, et vedru pikeneks 1 m võrra. Antud vedru korral oleks selleks 25 N.

Katses mõõtsime vedru pikenemist talle rakendatud jõu mõjul. Tulemuseks aga andsime jõu sõltuvuse vedru pikenemisest. Kuidas sellest aru saada? Selleks arutame, mis on siin põhjuseks ja mis tagajärjeks. Katse tulemus näitab, et ükskõik, mis viisil vedru ka ei pikene (kas siis koormise mõjul nagu katses või lihtsalt vedru venitades), tekkib vedrus elastsusjõud, mis püüab vedru esialgset olekut taastada. See jõud on seda suurem, mida rohkem on vedru välja venitatud. Seega, vedrus tekkiv elastsusjõud sõltub sellest, kui pikaks me vedru venitame.

Juhul, kui vedru on kokkusurutav, saame uurida elastsusjõu sõltuvust sellest, kui palju on vedru kokku surutud. Katse näitab, et sama seos kehtib ka kokkusurumisel.

Seaduspärasust, et elastsusjõud on võrdeline vedru pikenemise või lühenemisega (hälbega tasakaaluasendist) nimetatakse tema avastaja järgi Hooke’i seaduseks.

Samasugune elastsusjõud mõjub ka kumminööris selle venitamisel.

Nagu juba öeldud, on iga reaalne vedru ja kumminöör elastsed ainult teatud piires. Selle ületamisel esialgne kuju enam ei taastu.

Elastsusjõud tekib kehas aineosakeste vastastikmõju tõttu ja seotud tahkes kehas aineosakeste vahel mõjuvate jõudude eripäraga. Tasakaaluolekus on osakestevahelised jõud tasakaalus ja igale aineosakesele mõjuv kogujõud on võrdne nulliga. Kui püüda kahte aineosakest teineteisest eemaldada, hakkab nende vahel mõjuma tõmbejõud, mis püüab viia nad algolekusse tagasi. Kui aga püüda kahte aineosakest teineteisele lähemale viia, hakkab nende vahel mõjuma tõukejõud, mis on seda suurem, mida lähemale neid püüame viia. See tõukejõud on näiteks põhjuseks, miks me ei vaju läbi põranda. Aineosakeste vahelise jõu iseärasuseks on see, et väga väikestel nihetel tasakaaluasendist on osakestevahelised jõud võrdelised nihkega tasakaaluasendist. See ongi põhjuseks, miks peaaegu kõik kehad on väikesel venitamisel või kokkusurumisel elastsed.

Jõu mõõtmiseks kasutatakse dünamomeetrit. Dünamomeetris mõõdetakse jõudu elastsusjõu abil. Oletame, et jõudu mõõtvaks kehaks ehk jõuanduriks on vedru. Kui rakendada dünamomeetrile jõudu, venib dünamomeetri vedru pikemaks. Vedru pikenemine on võrdeline mõjuva jõuga. Dünamomeetri osuti näitab vedrule mõjuvat jõudu.

Valmistame kumminiidist dünamomeetri. Vahendid: 5–7 cm pikkune kumminiit, 10 cm pikkune niit, 2 kirjaklambrit, läbipaistev pastapliiatsi kest, üks või kaks koormist, mõlemad 100 g, markeerimispliiats.

Kinnita kumminiidi üks ots kirjaklambri külge, teise otsa külge seo niit. Niit on vajalik kumminiidi pikenduseks. Lase niit koos kumminiidiga läbi pastapliiatsi kesta nii, et kirjaklamber hoiaks kumminiiti pastapliiatsi ülemise otsa juures. Niidi alumise otsa külge seo kirjaklamber. Seda klambrit kasuta koormiste riputamiseks.

Valmista skaala. Aseta dünamomeeter püsti ja tõmba kergelt alumisest kirjaklambrist, nii et kumminiit oleks sirge. Kumminiidi ja niidi sõlme kohale tõmba markeriga pastapliiatsi kestale horisontaalne kriips ja märgi juurde „0”. Nüüd riputa alumise kirjaklambri külge 100 g koormis. Tõmba sõlme kohale kriips ja kirjuta juurde „1 N”. Lisa veel teine 100 g koormis ja tee skaalale märge „2 N”. Nüüd jaga jaotised väiksemateks osadeks, näiteks viieks osaks, siis on kahe naaberkriipsu vahe 0,2 N.

Kasuta dünamomeetrit erinevatele kehadele mõjuva raskusjõu mõõtmiseks.

1. Vasta õppetüki alguses olevatele küsimustele.
2. Miks püüab vedru peale venitamist või kokkusurumist oma esialgset olekut taastada?