Эта игрушка интересна своим неожиданным поведением. Если, преодолев небольшое сопротивление резинового корпуса вывернуть ее наизнанку и, придав пальцами вращение в горизонтальной плоскости, уронить на пол то после падения, она с громким щелчком восстановит свою форму, и подпрыгнет неожиданно высоко. Высота этого подъема будет почти в два раза больше, чем той, с которой Вы игрушку уронили. Такой, на первый взгляд удивительный эффект объясняется высвобождением энергии упругости, дополнительный запас которой Вы сообщили резиновому корпусу игрушки, выворачивая его наизнанку.
Существует несколько определений физического понятия упругость. Самая распространенная и простая: «упругость - свойство твердых веществ восстанавливать свою форму после снятия внешней нагрузки». Расширенная трактовка: «упругость - свойство тел восстанавливать свою форму и объем (для твердых тел) или только объем (для жидкостей и газов) после прекращения действия внешних сил». Наиболее точной можно считать следующее определение: «упругость - способность материи сопротивляться изменению своей формы и объема при воздействии внешней нагрузки».
Упругость обусловлена результатом изменения баланса двух сил, имеющих электромагнитное происхождение. Первые это обменные силы, которые обусловлены взаимодействием электронов на внешних оболочках атомов и отвечают за химические связи в молекулах вещества. Эти силы называют также химическими, с одной стороны они удерживают атомы в молекулах и не дают им разлетаться, а с другой стороны, благодаря так называемому свойству насыщаемости, не позволяют молекулами присоединять к себе новых атомов. Наглядным примером результата действия этих сил является простейшая молекула водорода, всегда состоящая только из двух атомов водорода. Третьему атому не позволяют присоединиться к молекуле именно химические силы, они же удерживают два первых. Химические силы очень быстро убывают с расстоянием. Если электростатические силы убывают в обратно квадратичной зависимости от расстояния, то химические убывают обратно пропорционально седьмой степени от расстояния. Поэтому основная сфера действия химических сил ограничивается расстоянием близким к размеру молекул.
Вторые силы — это межмолекулярные силы, или силы Ван–дер–Ваальса которые главным образом являются электростатическими. Эти силы связывают между собой молекулы вещества и являются силами притяжения. С увеличением расстояния силы Ван-дер-Ваалься убывают несколько слабее, чем химические силы, обратно пропорционально шестой степени от расстояния между молекулами.
В газах расстояние между молекулы обычно намного больше, чем размеры самих молекул, примерно в 10 раз, и притягиваясь друг к другу силами Ван–дер–Ваальса, они постоянно находятся в хаотическом движении. При относительном сближении молекул до предельно малых расстояний, начинают взаимодействовать электроны на внешних орбитах атомов, возникают силы отталкивания и создается так называемое внутренне давление газов. Частота таких сближений (соударений) определяет температуру газа и зависит от скорости движения молекул.
В жидкостях силы Ван-дер-Ваальса удерживают молекулы на расстояниях близких к собственному диаметру, и также позволяют им перемещаться относительно друг друга. Однако они же не дают молекулам улетать из общего объема жидкости, образуя силы поверхностного натяжения.
В твердых веществах силы Ван-дер-Ваальса отвечают за удержание молекул в геометрически правильных узлах кристаллической решетки, позволяя им лишь очень быстро и в крайне малых пределах колебаться вокруг одной точки. Расстояния между узлами кристаллической решетки у твердых тел, как и у жидкостей, близки к размерам молекулы. Так, например, в кубической кристаллической решетке железа, молекула которой состоит всего из одного атома, размеры между узлами составляют около 2,866 ангстрема (1 ангстрем равен 0,0000000001 или 10*10-10 метра) а радиус 1,266 ангстрема.
Кроме кристаллических твердых тел существуют тела, которые можно лишь условно назвать твердыми, это так называемые аморфные тела. В этих телах Ван-дер-ваальсовы силы, прижимают молекулы не в строгом порядке как в кристаллических, а самым различным образом - иногда произвольно, как попало, а иногда в определенных цепочках. В таких телах молекулы тоже непрерывно колеблются и могут смещаться друг относительно друга. Типичным примером подобных тел является каучук, углеводородные молекулы которого представляют собой спиралевидные цепочки и легко могут смещаться друг относительно друга. Получают природный каучук из латекса – сока дерева гевеи, который первыми использовали индейцы Южной Америки, а в Европу каучук попал уже по возвращении экспедиции Колумба. Если в молекулы каучука встроить атом серы можно получить обычную резину. Это делается при помощи так называемого процесса вулканизации – нагрева и одновременного сдавливания. Еще одним примером аморфных тел может служить стекло, состоящее в основном из двуокиси кремния или кремнезема - SiO2. В зависимости от наличия примесей, свойства стекла очень сильно меняются. Если процент кремнезема около 99%, стекло называют кварцевым и температура его плавления очень высоко, 2200 градусов. Если в стекло добавлено до 30% оксидов кальция, натрия и калия содержа, обычно в виде соды и поташа, то температура его плавления лежит в пределах 1200 – 1700 градусов целься, это обычное бутылочное, оконное и т.п. стекло. В любом стекле при комнатной температуре молекулы не остаются на месте, а движутся, но с очень малой скоростью, почти равной нулю - стекло бесконечно медленно течет.
Хотя стекло и является аморфным, при обычной температуре его быстро согнуть и не разрушить невозможно, при этом оно проявляет свойство упругости. В тоже время кристаллическое железо можно деформировать как пластилин. В технике такой процесс называется объемной штамповкой - железная заготовка укладывается в специальную форму (матрицу), на нее с огромным усилием давит поршень нужной формы, (пуансон), и за небольшое время желе приобретает нужную форму. Таким образом, аморфные вещества, как и кристаллические, могут проявлять свойство упругости, а кристаллические, при определенных условиях, могут, наоборот, становиться пластичными. Более того, одно и то тоже вещество может проявить как упругие, так и пластичные свойства. Закономерности, которым подчиняются деформации тел при действии на них различных нагрузок, описывает теория упругости, в основе которой лежит закон Гука.
В 1660 году нагружая тонкую металлическую струну, Роберт Гук установил, что ее удлинение прямо пропорционально растягивающей силе, правда лишь до определенных пределов, после чего закономерность исчезает, а деформация становится необратимой. В математической форме этот закон описывается как: , где Fs – растягивающая сила, x – удлинение, k – коэффициент пропорциональности, зависящий от растягиваемого материала. Сегодня все стальные пружины рассчитываются именно по этой формуле, согласно ей происходит растяжение резины. Однако закон Гука строго справедлив только в определенных пределах растяжения, при которых внешняя нагрузка не вызывает напряжений, превышающих так называемого предел пропорциональности, значение которого свое для каждого материала. Если этот закон выполняется с небольшими отклонениями, при которых после снятия растягивающего усилия деформации исчезает, нагрузка не превышает так называемого предела упругости. В том случае, когда внешнее усилие вызывает остаточные деформации после снятия нагрузки, говорят, что превышен предел текучести. Максимальная нагрузка, которую может выдержать материал перед разрушением – предел прочности.
Кроме разрушения под действием больших нагрузок все тела могут сжиматься. Сжимаемость – это свойство вещества изменять свой объем под действием равномерно распределенного внешнего давления. Можно сказать, что сжимаемость — это как бы противоположность упругости. Самая высока сжимаемость у газов, их объем при всестороннем сжатии уменьшается прямо пропорционально давлению, но лишь при небольших его значениях. При больших значениях сжатие происходит значительно хуже, и тем не менее объем газа может уменьшиться более чем в тысячу раз. Так, например, при давлении в 5000 атмосфер объем газа уменьшается в 1163 раза. При сжатии любых газов их молекулы сближаются, их скорость увеличивается и происходит значительный нагрев. Процессы сжатия и расширения газов подчиняются законам термодинамики, о которой рассказано в описаниях игрушек «Любвимер» и «Пьющяя уточка».
Твердые вещества и жидкости тоже подвержены сжатию, но намного в меньшей степени, чем газы. Причем вопреки весьма распространенному мнению жидкости сжимаются намного лучше, чем твердые вещества. Так, например, при одинаковом давлении вода может уменьшить свой объем по сравнению со сталью почти в 70 раз.
Наука, описывающая поведение материалов под действием на них внешних сил, называется «сопротивление материалов». Эта наука имеет огромное практическое значение, поскольку позволяет теоретически рассчитать элементы различных конструкций на прочность.