Твердое тело характеризуется тем, что в нем возникают значительные упругие силы не только при изменении объема (сжатие и расширение), но и при изменении формы (например, сдвиг).

Твердые тела могут существовать в двух существенно различных состояниях, отличающихся своим внутренним строением, и, соответственно, свойствами. Это кристаллическое и аморфное состояние твердых тел.

Кристаллическое состояние характеризуется наличием четко выделяемых естественных граней, образующих между собой определенные углы. Примерами веществ в кристаллическом состоянии могут служить соль, сахарный песок, сода и др.

Если весь кусок вещества представляет собой один кристалл, то такое тело называется монокристалломкристаллом. В других случаях тело представляет собой множество мелких кристалликов, причудливо сросшихся между собой, например, кусок рафинада. Такие тела называют поликристаллическими. или просто

Наличие естественных граней у монокристаллов ведет к четко выраженному различию в физических свойствах тела по различным направлениям. Это может относиться к механической прочности, тепло- и электропроводности, упругости и т.д. Но не всегда все свойства зависят от направления - кубический кристалл меди обладает одинаковой электропроводностью по всем направлениям, но разной упругостью.

В поликристаллах принято говорить о средних значениях физических величин, поскольку вдоль любого выбранного направления найдутся отдельные кристаллы, как угодно ориентированные внутри тела.

Второй вид твердого состояния твердых тел - аморфное состояние. В этом состоянии невозможно обнаружить даже малые области, в которых наблюдалась бы зависимость физических свойств от направления. Некоторые вещества могут находиться в любом из этих двух состояний.

Например, если расплавить кристаллический кварц (температура плавления около 1700° С), то при охлаждении он образует плавленый кварц сдругими физическими свойствами,одинаковыми по всем направлениям. Аморфное состояние - неустойчивое состояние твердых тел. Будучи предоставлены сами себе, они стремятся со временем перейти в кристаллическую форму, хотя этот процесс может занимать годы и даже десятилетия.

Упругость и прочность

Если наблюдать деформации твердых тел, то можно заметить, что после снятия деформирующего воздействия некоторые тела при некорых условиях востанавливают свою первоначальную плотность, а другие остаются в деформмированном виде. Деформации, которые полностью исчезают с исчезновением деформирующего воздействия, называются упругими. Деформации, не исчезающие по снятии деформирующих сил, называют пластическими.

Строго говоря, если подвергать тело деформации достаточно долго, упругая деформация перейдет в пластическую. Соответственно, вещества, у которых это время перехода достаточно велико (например, годы) называют упругими веществами. Если же время перехода деформации от упругой к пластической составляет порядка секунд или долей секунд, то такие вещества называют пластичными.

Переход деформации от упругой к пластической зависит и от величины самой деформации. При некоторой величине деформации переход от упругости к пластичности осуществляется практически мгновенно. Это предел упругости. Чем выше температура, тем ниже предел упругости для данного вещества.

При упругой деформации деформирующая сила и величина деформации пропорциональны. Это закон Гука. Математически он выражается формулой:

где Е - модуль продольной упругости (модуль Юнга), S - площадь поперечного сечения, L - длина образца в нерастяженном состоянии, k=ES/L - жесткость тела.

Как правило, все виды деформации в твердом теле сводятся к двум - растяжению (или сжатию) или сдвигу.

Растяжение возникает при действии двух равных и противоположно направленных сил.

При одностороннем (продольном) растяжении тело удлиняется и несколько уменьшается в поперечных размерах. При одностороннем сжатии наоборот, тело расширяется в поперечнике.

Если ввести понятия относительного продольного растяжения или сжатия (e=DL/L), и нормального напряжения (s=F/S), то s=eE.

Изгиб - деформация, сводящаяся в растяжениям и сжатиям в различных частях тела. Если, например, изогнуть продольную металлическую пластину, то одна ее сторона растянется, а другая сожмется.

Сдвиг - деформация, обусловленная действием двух равных и противоположно направленных моментов сил. Сдвиг возникает, например, если к верхней части лежащего бруска приложена горизонтальная сила, перекашивающая брусок. При этом горизонтальные слои бруска сдвигаются относительно друг друга.
При сдвиге:

где G - модуль поперечной упругости (модуль сдвига).
Особый случай сдвига - кручение. Это деформация, имеющая место в твердом теле, если оно находится под действием двух противоположно направленных моментов, приложенных к противоположным концам тела.