談談物體的形變

楊建輝

用力壓海綿，用嘴吹氣球，海綿和氣球的形狀和體積就會發生改變.物體形狀和體積的改變，是平時生活中經常遇到的一種現象，物理學中稱之為“形變”.那么，你對“形變”的了解有多少呢？

對于彈簧、海綿、橡皮筋等相對柔軟的物體的形變，大家深信不疑.那么玻璃、桌面、水泥地面等堅硬的物體能否發生形變呢？

同學們不妨找一個材質是玻璃的墨水瓶，先在墨水瓶中裝滿紅水，用插有細管的橡皮塞塞緊瓶口，瓶內的水就上升到管中.當同學們試著從墨水瓶截面的不同方向壓瓶子時，就會發現，如果沿截面短軸方向擠壓瓶身，細管內的水柱長度變短，而沿截面長軸方向擠壓瓶身使水柱長度變長，松手后細管的水柱又都回到了原來的位置.細心的同學還會發現，在用力壓瓶子的過程中用的力越大，水柱的長度變化越明顯.也就是說，當沿瓶子截面的長軸用力擠壓瓶身時，瓶子的容積變大，而沿瓶子截面的短軸用力擠壓瓶身時，瓶子的容積變小.可見，玻璃瓶在力的作用下也會發生形變，而且形變的大小隨作用力的增大而增大.只是玻璃瓶的形變量微小，不易觀察.在這個實驗中，我們應用了轉換法和放大法，將墨水瓶的微小形變轉換為玻璃管中水柱長度的變化，并且加以放大，與用小紙屑顯示鼓面振動幅度的方法完全相同.

如果天氣晴朗，有興趣的同學還可試著用平面鏡來顯示桌面或水泥地面的形變.將一塊小平面鏡用膠布固定在桌面或水泥地面上，通過窗戶將太陽光引入室內，并使之經小平面鏡反射后照到墻壁上，用力在水泥地面跳動或敲擊桌面，可以看到墻上的光斑不斷地晃動，用力越大，墻上的光斑晃動的幅度就越大，墻上光斑的晃動是由于地面或桌面的形變引起的.通過上述實驗可知，一切物體在外力的作用下都會發生形變，外力越大，形變量就越大.

物體的“形變”可以分為兩類，即“彈性形變”和“范性（塑性）形變”.當用較小的力拉伸彈簧時，彈簧發生了形變.當撤去外力后，彈簧能完全恢復原狀.撤去外力后物體能恢復原狀的形變叫做“彈性形變”.當用力彎曲細鋼絲時，鋼絲發生了形變.當撤去外力后，鋼絲不能恢復原狀.撤去外力后，物體不能恢復原狀的形變叫做“范性（塑性）形變”.用較小的力拉伸彈簧，撤去外力后，彈簧能恢復原狀，說明彈簧產生彈性形變；當用較大的力拉伸彈簧，撤去外力后，彈簧不能恢復原狀，產生的是范性形變.由此可見，彈性體的形變不一定是彈性形變，發生彈性形變是有一定限度的.只有當彈性體受到的作用力在某一限度內，發生的形變才是彈性形變；當彈性體形變超過某一值時，即使撤去外力，物體也不能再恢復原狀，這個值叫做彈性限度.研究發現，在彈性限度內，物體的形變量與受到的外力成正比.彈簧測力計和健身用的拉力器就是根據這一原理制成的.

用“子彈”勾住彈弓的橡皮筋，用力向后拉“子彈”，使橡皮筋伸長到一定長度后，釋放“子彈”，“子彈”就向前彈射出去.把子彈彈出的力的施力物體是橡皮筋，受力物體是“子彈”，橡皮筋之所以對子彈產生力，就是因為“子彈”使橡皮筋發生了彈性形變.發生彈性形變的物體對使之發生形變的另一個物體產生的力叫彈力.跳水運動員與跳板接觸的過程中，使得跳板向下發生了彈性形變，因而跳板對運動員施加了向上的彈力.彈力的施力物體是發生彈性形變的物體，受力物體是與發生彈性形變的物體相接觸的另一物體.由此可見，產生彈力要具備兩個條件：一是受力物體與施力物體必須直接接觸，二是施力物體必須發生彈性形變.通過分析，我們還會發現物體產生彈力的方向與其形變的方向相反，以最常見的彈力為例，壓力的方向垂直指向支持面，支持力的方向垂直指向支持面上方的物體，拉力的方向沿著繩子或細線收縮的方向，提力的方向沿著手臂收縮的方向，推力的方向沿著手臂舒展的方向.

我們的生活離不開形變.跳水運動員能利用壓彎的跳板把自己彈得很高，撐竿跳運動員利用彎曲的撐桿越過高高的橫桿，玩具手槍利用壓縮的彈簧把子彈射出，機械手表利用旋緊的發條來帶動指針轉動，雜技演員利用橡皮繩的伸縮進行驚險的蹦極表演，等等.形變的應用已經滲透到生活的每一個角落.形變的物體為什么具有這么神奇的力量呢？

原來，這些物體發生彈性形變時具有一種能量，這種能量叫彈性勢能.隨著形變量的減少，形變物體的彈性勢能逐漸轉化為我們所需要的能.在精彩的蹦床運動中，當運動員剛開始接觸蹦床時，由于蹦床的形變量較小，蹦床對運動員向上的彈力小于重力，因而運動員加速向下，運動員的動能和蹦床的彈性勢能增大，將重力勢能轉化為運動員的動能和蹦床的彈性勢能；當蹦床的形變量達到某一值時，彈力與重力相平衡，運動員的速度達到最大；當運動員繼續向下運動時，隨著形變量的增加，向上的彈力大于重力，運動員減速向下，運動員的動能和重力勢能轉化為蹦床的彈性勢能，直到最低點時動能為零，彈性勢能最大；然后在向上的彈力作用下運動員又開始向上運動，最終離開蹦床向上彈起，蹦床反彈過程中的能量轉化，同學們可嘗試著自己進行分析.

“形變”就在我們的生活中，但常見的現象卻蘊藏著豐富的知識，揭示一定的物理規律，所有這些，都等待著我們不斷地去探索和發現.