Bài 2: Sự biến dạng

I. Biến dạng kéo và biến dạng nén

Nếu bạn bóp một quả bóng cao su, nó sẽ bị biến dạng, tức là không còn giữ nguyên hình dạng ban đầu nữa. 

Một thanh cao su ở trạng thái bình thường có hình dạng như hình 2.3a. Làm thanh cao su bị ngắn đi như hình 2.3b. Biến dạng đó là biến dạng nén.

Kéo để thanh cao su dài thêm như hình 2.3c. Biến dạng như vậy là biến dạng kéo.

II. Định luật Hooke (Húc)

1. Đặc tính của lò xo

Lực đàn hồi

Khi ta kéo hoặc nén một lò xo, tức làm lò xo biến dạng, lực đàn hồi xuất hiện ở hai đầu của lò xo và chống lại lực gây ra sự kéo hoặc nén này. Hướng của lực đàn hồi ở mỗi đầu lò xo ngược với hướng của lực gây biến dạng lò xo. (hình 2.4)

Độ giãn

Treo một lò xo vào giá thí nghiệm. Khi cân bằng, lò xo có độ dài xác định.

Treo vào đầu dưới lò xo các vật có trọng lượng khác nhau. Dưới tác dụng của trọng lượng vật treo, lò xo bị kéo giãn xuống dưới và bị dài thêm ra. Độ dài thêm ra này được gọi là độ giãn (độ biến dạng) của lò xo (hình 2.5).

Giới hạn đàn hồi

Khi tăng trọng lượng treo ở đầu dưới, độ giãn của lò xo tăng. Khi bỏ vật treo khỏi lò xo, lò xo vẫn quay trở lại được độ dài ban đầu. Tuy nhiên, khi tăng trọng lượng của vật treo vượt quá một giá trị nào đó thì khi bỏ vật treo ra, lò xo không trở lại chiều dài ban đầu nữa. Giá trị đó được gọi là giới hạn đàn hồi.

2. Thí nghiệm

Ta có thể khảo sát độ giãn của lò xo bằng thí nghiệm sau đây.

Dụng cụ

Lò xo, giá thí nghiệm, thước đo độ dài.

Tiến hành

Lắp các dụng cụ thành bộ như hình 2.6.

Lần lượt treo các vật có khối lượng 10 g, 20 g, 30 g, ... vào đầu dưới của lò xo.

Ghi các độ giãn lò xo tương ứng vào bảng số liệu.

Kết quả

Bảng 2.1 là số liệu thu được trong một thí nghiệm.

3. Định luật Hooke

Robert Hooke đã khám phá ra mối liên hệ giữa lực đàn hồi và độ biến dạng (độ giãn hay độ nén) của lò xo.

Trong giới hạn đàn hồi, độ lớn lực đàn hồi của lò xo tỉ lệ thuận với độ biến dạng của lò xo.

\(F=k\left|\Delta l\right|\)

Hệ số tỉ lệ k được gọi là độ cứng của lò xo. Khi cùng chịu một lực tác dụng gây ra biến dạng, lò xo nào càng cứng thì càng ít bị biến dạng, do đó hệ số k của nó càng lớn. Đơn vị đo của độ cứng là niuton trên m, kí hiệu là N/m.

4. Ứng dụng định luật Hooke

Cân đồng hồ (hay còn gọi là cân đồng hồ lò xo) là loại cân được sử dụng nhiều trong đời sống (hình bên dưới). Cân đồng hồ lò xo bao gồm loại để bàn và loại có móc treo.

Cân hoạt động dựa trên sự biến dạng của lò xo, tạo trạng thái cân bằng khi lò xo chịu tác dụng nén (cân đĩa) hoặc kéo (cân móc treo). Trong cân có bộ phận chuyển đổi chuyển động thẳng (do kéo hoặc nén) của lò xo sang chuyển động xoay tròn của kim chỉ thị và hiển thị kết quả do trên mặt số của đồng hồ. Ngoài ra, còn có một núm xoay bên trên mặt đồng hồ, để hiệu chỉnh về điểm 0 khi không có tải.