固體的彈性行為

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介紹

宇宙中的所有物質都由稱為分子的微小粒子組成。它們彼此之間存在著某種吸引力。分子之間存在分子間吸引力。根據分子之間的吸引力，物質被分為五類。它們分別是固體、液體、氣體、等離子體和玻色-愛因斯坦凝聚態。固體是指分子間距離非常小，並且彼此緊密結合的物質。

什麼是彈性？

當對物體施加力時，它會發生變形。如果在從物體上移除力後，物體恢復到其原始形狀，則該力稱為彈性力。由於它使物體的尺寸發生變化，因此被稱為形變力。物體的這種現象稱為彈性。當橡膠被力拉伸時，橡膠的長度和厚度會發生變化。移除力後，它恢復到原來的尺寸。這種特性稱為彈性。

固體的彈性行為

固體中的每個原子或分子都透過原子間力與相鄰原子連線，並保持在平衡位置。當對固體施加形變力時，由於原子從平衡位置發生位移，原子之間的原子間距離發生變化。在移除形變力後，原子間力傾向於將原子吸引回其原始位置。因此，固體恢復到其原始位置。施加的力是施加到固體上的應力。由於施加到物體上的應力，物體的尺寸會發生變化。這種變化稱為應變。

• 應力

  施加到物體上導致物體尺寸發生變化的力稱為應力。

$$\mathrm{力=\frac{應力}{應變}}$$

應力的單位是 $\mathrm{Nm^{-2}}$

• 應變

  當對物體施加應力時，它會發生變形。尺寸變化與其原始尺寸之比稱為應變。

$$\mathrm{應力=\frac{尺寸變化}{原始尺寸}}$$

它沒有單位。

固體的力學效能

固體的力學效能以固體的強度和對形變力的抵抗力為特徵。它是固體在施加應力下保持不變的能力。它也具有抗變化的能力。如果物體對形變力的抵抗力較小，則它容易變形。一些力學效能如下所示。

• 彈性 - 當對物體施加力時，物體的形狀會發生變化。如果在移除力後恢復其形狀，則稱為彈性。

• 塑性 - 如果物體在移除形變力後無法恢復其原始形狀，則稱為塑性。

• 延展性 - 固體材料拉伸成薄片、線或板的能力稱為延展性。

• 強度 - 如果固體材料在不發生破壞的情況下承受形變力，則該能力為固體材料的強度。

固體的物理和化學性質

• 由於固體材料分子之間的分子間距離很小，因此它們之間的力非常強。

• 固體材料中的分子彼此非常靠近。由於它們之間的距離很小，因此固體材料是不可壓縮的。

• 由於它們之間的距離很小，因此它們堅硬且剛性。

• 固體材料具有確定的質量和體積，並且它們是固定的。

• 固體中的分子不能自由移動，因為它們被牢固地束縛。因此，它們只能在其平均位置附近振動。

• 固體可以導電。

• 化學變化會改變物質的組成。

固體彈性行為的應用

固體材料的彈性行為在許多領域都有應用。其中一些應用如下所示。

• 使用堅固的材料承載重物。起重機和升降機所承載的載荷非常高。因此，用於懸掛的繩索和纜繩應由堅固的材料製成。因此，繩索和纜繩使用楊氏模量較高的材料。

• 可以透過材料的彈性行為來了解固體材料的強度。通過了解這一特性，可以選擇最適合建築物柱子和立柱的材料。

• 在工程中，瞭解材料的彈性行為非常重要。

• 彈性原理也可用於測量山的高度。

• 橋樑不應因交通繁忙或颶風而變形。這是通過了解固體的彈性特性來實現的。

• 如果力超過彈性極限，機器的金屬部件會發生變形。透過此特性可以正確選擇材料。

影響固體效能的因素

一些影響固體效能的特性。它們如下所示。

應力

即使固體材料的彈性極限沒有超過，如果多次施加應力，也可能影響材料的抗拉強度。因此，材料的應力因素應低於材料的抗拉強度。

溫度

材料的彈性特性與溫度成反比。也就是說，彈性在低溫下高，在高溫下低。

晶體的性質

彈性取決於材料的性質。如果是單晶，則具有高彈性。如果是多晶，則具有低彈性。

退火

為了提高材料的柔軟性，將材料加熱到非常高的溫度，並使其緩慢冷卻。此過程稱為退火。這可能會在材料中產生晶粒，從而降低其彈性。

雜質

根據新增到材料中的雜質，材料的彈性會增加或減少。

結論

物質分為五類。在這些物質中，本文討論了固體的性質。本文討論了彈性和固體材料的彈性行為。本文詳細討論了固體的力學、物理和化學性質。此外，還討論了固體彈性行為的應用以及影響固體效能的因素。

常見問題解答

Q1. 什麼是彈性極限？

A1. 如果對物體施加應力，它會發生變形。在移除該應力後，它恢復到其原始位置。在物體能夠恢復其尺寸之前的最大應力稱為彈性極限。超過此極限，物體將無法恢復其原始尺寸。

Q2. 定義胡克定律。

A2. 在彈性極限內，材料中產生的應變與施加的應力成正比。

$$\mathrm{應力\propto 應變}$$

這被稱為胡克定律。

Q3. 什麼是彈性模量？

A3. 彈性模量表示應力與應變之間的關係。施加到材料上的應力與由於施加的應力而產生的應變之比是一個常數。此常數稱為彈性模量。

$$\mathrm{\frac{應力}{應變}=K}$$

彈性模量有三種類型。它們是楊氏模量、剪下模量和體積模量。

Q4. 區分彈性和塑性

A4.

彈性	塑性
在移除施加的力後恢復其形狀。	在移除施加的力後發生變形。
需要少量力。	需要大量的力。
在彈性極限內服從胡克定律。	不服從胡克定律。
應力-應變行為是線性的。	應力-應變行為是非線性的。

Q5. 彈性模量和剪下模量有什麼區別？

Ans. 彈性模量描述的是當外力垂直作用於材料時材料的變形情況，而剪下模量描述的是當外力平行作用於材料時材料的變形情況。