谈谈物体的形变

用力压海绵，用嘴吹气球，海绵和气球的形状和体积就会发生改变.物体形状和体积的改变，是平时生活中经常遇到的一种现象，物理学中称之为“形变”.那么，你对“形变”的了解有多少呢？

对于弹簧、海绵、橡皮筋等相对柔软的物体的形变，大家深信不疑.那么玻璃、桌面、水泥地面等坚硬的物体能否发生形变呢？

同学们不妨找一个材质是玻璃的墨水瓶，先在墨水瓶中装满红水，用插有细管的橡皮塞塞紧瓶口，瓶内的水就上升到管中.当同学们试着从墨水瓶截面的不同方向压瓶子时，就会发现，如果沿截面短轴方向挤压瓶身，细管内的水柱长度变短，而沿截面长轴方向挤压瓶身使水柱长度变长，松手后细管的水柱又都回到了原来的位置.细心的同学还会发现，在用力压瓶子的过程中用的力越大，水柱的长度变化越明显.也就是说，当沿瓶子截面的长轴用力挤压瓶身时，瓶子的容积变大，而沿瓶子截面的短轴用力挤压瓶身时，瓶子的容积变小.可见，玻璃瓶在力的作用下也会发生形变，而且形变的大小随作用力的增大而增大.只是玻璃瓶的形变量微小，不易观察.在这个实验中，我们应用了转换法和放大法，将墨水瓶的微小形变转换为玻璃管中水柱长度的变化，并且加以放大，与用小纸屑显示鼓面振动幅度的方法完全相同.

如果天气晴朗，有兴趣的同学还可试着用平面镜来显示桌面或水泥地面的形变.将一块小平面镜用胶布固定在桌面或水泥地面上，通过窗户将太阳光引入室内，并使之经小平面镜反射后照到墙壁上，用力在水泥地面跳动或敲击桌面，可以看到墙上的光斑不断地晃动，用力越大，墙上的光斑晃动的幅度就越大，墙上光斑的晃动是由于地面或桌面的形变引起的.通过上述实验可知，一切物体在外力的作用下都会发生形变，外力越大，形变量就越大.

物体的“形变”可以分为两类，即“弹性形变”和“范性（塑性）形变”.当用较小的力拉伸弹簧时，弹簧发生了形变.当撤去外力后，弹簧能完全恢复原状.撤去外力后物体能恢复原状的形变叫做“弹性形变”.当用力弯曲细钢丝时，钢丝发生了形变.当撤去外力后，钢丝不能恢复原状.撤去外力后，物体不能恢复原状的形变叫做“范性（塑性）形变”.用较小的力拉伸弹簧，撤去外力后，弹簧能恢复原状，说明弹簧产生弹性形变；当用较大的力拉伸弹簧，撤去外力后，弹簧不能恢复原状，产生的是范性形变.由此可见，弹性体的形变不一定是弹性形变，发生弹性形变是有一定限度的.只有当弹性体受到的作用力在某一限度内，发生的形变才是弹性形变；当弹性体形变超过某一值时，即使撤去外力，物体也不能再恢复原状，这个值叫做弹性限度.研究发现，在弹性限度内，物体的形变量与受到的外力成正比.弹簧测力计和健身用的拉力器就是根据这一原理制成的.

用“子弹”勾住弹弓的橡皮筋，用力向后拉“子弹”，使橡皮筋伸长到一定长度后，释放“子弹”，“子弹”就向前弹射出去.把子弹弹出的力的施力物体是橡皮筋，受力物体是“子弹”，橡皮筋之所以对子弹产生力，就是因为“子弹”使橡皮筋发生了弹性形变.发生弹性形变的物体对使之发生形变的另一个物体产生的力叫弹力.跳水运动员与跳板接触的过程中，使得跳板向下发生了弹性形变，因而跳板对运动员施加了向上的弹力.弹力的施力物体是发生弹性形变的物体，受力物体是与发生弹性形变的物体相接触的另一物体.由此可见，产生弹力要具备两个条件：一是受力物体与施力物体必须直接接触，二是施力物体必须发生弹性形变.通过分析，我们还会发现物体产生弹力的方向与其形变的方向相反，以最常见的弹力为例，压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体，拉力的方向沿着绳子或细线收缩的方向，提力的方向沿着手臂收缩的方向，推力的方向沿着手臂舒展的方向.

我们的生活离不开形变.跳水运动员能利用压弯的跳板把自己弹得很高，撑竿跳运动员利用弯曲的撑杆越过高高的横杆，玩具手枪利用压缩的弹簧把子弹射出，机械手表利用旋紧的发条来带动指针转动，杂技演员利用橡皮绳的伸缩进行惊险的蹦极表演，等等.形变的应用已经渗透到生活的每一个角落.形变的物体为什么具有这么神奇的力量呢？

原来，这些物体发生弹性形变时具有一种能量，这种能量叫弹性势能.随着形变量的减少，形变物体的弹性势能逐渐转化为我们所需要的能.在精彩的蹦床运动中，当运动员刚开始接触蹦床时，由于蹦床的形变量较小，蹦床对运动员向上的弹力小于重力，因而运动员加速向下，运动员的动能和蹦床的弹性势能增大，将重力势能转化为运动员的动能和蹦床的弹性势能；当蹦床的形变量达到某一值时，弹力与重力相平衡，运动员的速度达到最大；当运动员继续向下运动时，随着形变量的增加，向上的弹力大于重力，运动员减速向下，运动员的动能和重力势能转化为蹦床的弹性势能，直到最低点时动能为零，弹性势能最大；然后在向上的弹力作用下运动员又开始向上运动，最终离开蹦床向上弹起，蹦床反弹过程中的能量转化，同学们可尝试着自己进行分析.

“形变”就在我们的生活中，但常见的现象却蕴藏着丰富的知识，揭示一定的物理规律，所有这些，都等待着我们不断地去探索和发现.