固体的弹性行为

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介绍

宇宙中的所有物质都由称为分子的微小粒子组成。它们彼此之间存在着某种吸引力。分子之间存在分子间吸引力。根据分子之间的吸引力，物质被分为五类。它们分别是固体、液体、气体、等离子体和玻色-爱因斯坦凝聚态。固体是指分子间距离非常小，并且彼此紧密结合的物质。

什么是弹性？

当对物体施加力时，它会发生变形。如果在从物体上移除力后，物体恢复到其原始形状，则该力称为弹性力。由于它使物体的尺寸发生变化，因此被称为形变力。物体的这种现象称为弹性。当橡胶被力拉伸时，橡胶的长度和厚度会发生变化。移除力后，它恢复到原来的尺寸。这种特性称为弹性。

固体的弹性行为

固体中的每个原子或分子都通过原子间力与相邻原子连接，并保持在平衡位置。当对固体施加形变力时，由于原子从平衡位置发生位移，原子之间的原子间距离发生变化。在移除形变力后，原子间力倾向于将原子吸引回其原始位置。因此，固体恢复到其原始位置。施加的力是施加到固体上的应力。由于施加到物体上的应力，物体的尺寸会发生变化。这种变化称为应变。

• 应力

  施加到物体上导致物体尺寸发生变化的力称为应力。

$$\mathrm{力=\frac{应力}{应变}}$$

应力的单位是 $\mathrm{Nm^{-2}}$

• 应变

  当对物体施加应力时，它会发生变形。尺寸变化与其原始尺寸之比称为应变。

$$\mathrm{应力=\frac{尺寸变化}{原始尺寸}}$$

它没有单位。

固体的力学性能

固体的力学性能以固体的强度和对形变力的抵抗力为特征。它是固体在施加应力下保持不变的能力。它也具有抗变化的能力。如果物体对形变力的抵抗力较小，则它容易变形。一些力学性能如下所示。

• 弹性 - 当对物体施加力时，物体的形状会发生变化。如果在移除力后恢复其形状，则称为弹性。

• 塑性 - 如果物体在移除形变力后无法恢复其原始形状，则称为塑性。

• 延展性 - 固体材料拉伸成薄片、线或板的能力称为延展性。

• 强度 - 如果固体材料在不发生破坏的情况下承受形变力，则该能力为固体材料的强度。

固体的物理和化学性质

• 由于固体材料分子之间的分子间距离很小，因此它们之间的力非常强。

• 固体材料中的分子彼此非常靠近。由于它们之间的距离很小，因此固体材料是不可压缩的。

• 由于它们之间的距离很小，因此它们坚硬且刚性。

• 固体材料具有确定的质量和体积，并且它们是固定的。

• 固体中的分子不能自由移动，因为它们被牢固地束缚。因此，它们只能在其平均位置附近振动。

• 固体可以导电。

• 化学变化会改变物质的组成。

固体弹性行为的应用

固体材料的弹性行为在许多领域都有应用。其中一些应用如下所示。

• 使用坚固的材料承载重物。起重机和升降机所承载的载荷非常高。因此，用于悬挂的绳索和缆绳应由坚固的材料制成。因此，绳索和缆绳使用杨氏模量较高的材料。

• 可以通过材料的弹性行为来了解固体材料的强度。通过了解这一特性，可以选择最适合建筑物柱子和立柱的材料。

• 在工程中，了解材料的弹性行为非常重要。

• 弹性原理也可用于测量山的高度。

• 桥梁不应因交通繁忙或飓风而变形。这是通过了解固体的弹性特性来实现的。

• 如果力超过弹性极限，机器的金属部件会发生变形。通过此特性可以正确选择材料。

影响固体性能的因素

一些影响固体性能的特性。它们如下所示。

应力

即使固体材料的弹性极限没有超过，如果多次施加应力，也可能影响材料的抗拉强度。因此，材料的应力因素应低于材料的抗拉强度。

温度

材料的弹性特性与温度成反比。也就是说，弹性在低温下高，在高温下低。

晶体的性质

弹性取决于材料的性质。如果是单晶，则具有高弹性。如果是多晶，则具有低弹性。

退火

为了提高材料的柔软性，将材料加热到非常高的温度，并使其缓慢冷却。此过程称为退火。这可能会在材料中产生晶粒，从而降低其弹性。

杂质

根据添加到材料中的杂质，材料的弹性会增加或减少。

结论

物质分为五类。在这些物质中，本文讨论了固体的性质。本文讨论了弹性和固体材料的弹性行为。本文详细讨论了固体的力学、物理和化学性质。此外，还讨论了固体弹性行为的应用以及影响固体性能的因素。

常见问题解答

Q1. 什么是弹性极限？

A1. 如果对物体施加应力，它会发生变形。在移除该应力后，它恢复到其原始位置。在物体能够恢复其尺寸之前的最大应力称为弹性极限。超过此极限，物体将无法恢复其原始尺寸。

Q2. 定义胡克定律。

A2. 在弹性极限内，材料中产生的应变与施加的应力成正比。

$$\mathrm{应力\propto 应变}$$

这被称为胡克定律。

Q3. 什么是弹性模量？

A3. 弹性模量表示应力与应变之间的关系。施加到材料上的应力与由于施加的应力而产生的应变之比是一个常数。此常数称为弹性模量。

$$\mathrm{\frac{应力}{应变}=K}$$

弹性模量有三种类型。它们是杨氏模量、剪切模量和体积模量。

Q4. 区分弹性和塑性

A4.

弹性	塑性
在移除施加的力后恢复其形状。	在移除施加的力后发生变形。
需要少量力。	需要大量的力。
在弹性极限内服从胡克定律。	不服从胡克定律。
应力-应变行为是线性的。	应力-应变行为是非线性的。

Q5. 弹性模量和剪切模量有什么区别？

Ans. 弹性模量描述的是当外力垂直作用于材料时材料的变形情况，而剪切模量描述的是当外力平行作用于材料时材料的变形情况。