Wiosna jest cudem ludzkiej inżynierii i kreatywności. Funkcje te z kolei pozwalają na tworzenie wielu obiektów stworzonych przez człowieka, z których większość pojawiła się w ramach rewolucji naukowej pod koniec XVII i XVIII wieku.
Jako elastyczny obiekt służący do magazynowania energii mechanicznej, ich zastosowania są szerokie, dzięki czemu możliwe są takie elementy, jak samochodowe systemy zawieszenia, zegary wahadłowe, nożyce ręczne, nakręcane zabawki, zegarki, pułapki na szczury, cyfrowe urządzenia mikromirrorowe i oczywiście , Slinky.
Podobnie jak wiele innych urządzeń wynalezionych na przestrzeni wieków, podstawowa wiedza na temat mechaniki jest wymagana, zanim będzie mogła być tak szeroko stosowana. Jeśli chodzi o sprężyny, oznacza to zrozumienie zasad elastyczności, skręcania i siły, które wchodzą w grę - które razem są znane jako prawo Hooke'a.
Prawo Hooke'a to zasada fizyki, która stwierdza, że siła potrzebna do rozciągnięcia lub ściśnięcia sprężyny na pewną odległość jest proporcjonalna do tej odległości. Nazwa prawa pochodzi od XVII-wiecznego brytyjskiego fizyka Roberta Hooke'a, który starał się wykazać związek między siłami działającymi na sprężynę i jej sprężystością.
Najpierw ogłosił prawo w 1660 r. Jako łaciński anagram, a następnie opublikował rozwiązanie w 1678 r. Jako ut tensio, sic vis - co w tłumaczeniu oznacza „jako rozszerzenie, więc siła” lub „rozszerzenie jest proporcjonalne do siły”).
Można to wyrazić matematycznie jako F = -kX, gdzie fa oznacza siłę przyłożoną do sprężyny (w postaci naprężenia lub naprężenia); X oznacza przemieszczenie sprężyny, przy czym wartość ujemna pokazuje, że przemieszczenie sprężyny po jej rozciągnięciu; i k jest stałą sprężystą i pokazuje, jak sztywna jest.
Prawo Hooke'a jest pierwszym klasycznym przykładem wyjaśnienia sprężystości - która jest właściwością obiektu lub materiału, która powoduje, że po zniekształceniu powraca do pierwotnego kształtu. Ta zdolność powrotu do normalnego kształtu po doświadczeniu zniekształcenia może być określana jako „siła przywracająca”. Rozumiana w kategoriach Prawa Hooke'a, ta siła przywracająca jest zasadniczo proporcjonalna do ilości doświadczanego „rozciągania”.
Oprócz rządzenia zachowaniem sprężyn, prawo Hooke'a ma również zastosowanie w wielu innych sytuacjach, w których sprężysty korpus jest zdeformowany. Może to obejmować wszystko, od nadmuchiwania balonu i ciągnięcia gumki do mierzenia siły wiatru potrzebnej do zakręcenia i kołysania się wysokiego budynku.
Prawo to ma wiele ważnych praktycznych zastosowań, jednym z nich jest stworzenie koła wyważającego, które umożliwiło stworzenie zegara mechanicznego, przenośnego czasomierza, skali sprężynowej i manometru (inaczej manometru). Ponadto, ponieważ jest to przybliżenie wszystkich ciał stałych (o ile siły deformacji są wystarczająco małe), liczne gałęzie nauki i inżynierii również zadłużone Hookeowi za wymyślenie tego prawa. Obejmują one dyscypliny sejsmologii, mechaniki molekularnej i akustyki.
Jednak, podobnie jak większość mechaniki klasycznej, prawo Hooke'a działa tylko w ograniczonym zakresie odniesienia. Ponieważ żaden materiał nie może zostać ściśnięty poza określony minimalny rozmiar (lub rozciągnięty powyżej maksymalnego rozmiaru) bez pewnego trwałego odkształcenia lub zmiany stanu, ma to zastosowanie tylko tak długo, jak długo występuje ograniczona siła lub odkształcenie. W rzeczywistości wiele materiałów znacznie odbiega od prawa Hooke na długo przed osiągnięciem tych elastycznych granic.
Mimo to, w swojej ogólnej formie, prawo Hooke'a jest zgodne z prawami równowagi statycznej Newtona. Łącznie pozwalają one wydedukować związek między odkształceniem i naprężeniem dla złożonych obiektów w odniesieniu do wewnętrznych materiałów o właściwościach, z których są wykonane. Na przykład można wywnioskować, że jednorodny pręt o jednolitym przekroju zachowuje się jak zwykła sprężyna po rozciągnięciu ze sztywnością (k) bezpośrednio proporcjonalne do jego pola przekroju i odwrotnie proporcjonalne do jego długości.
Kolejną interesującą rzeczą w prawie Hooke'a jest to, że jest to doskonały przykład Pierwszego Prawa Termodynamiki. Każda sprężyna po ściśnięciu lub rozciągnięciu prawie idealnie oszczędza energię przyłożoną do niej. Jedyną utratą energii jest naturalne tarcie.
Ponadto prawo Hooke'a zawiera falową funkcję okresową. Sprężyna zwolniona ze zdeformowanego położenia powróci do swojego pierwotnego położenia z proporcjonalną siłą wielokrotnie w funkcji okresowej. Długość fali i częstotliwość ruchu można również obserwować i obliczyć.
Współczesna teoria sprężystości jest uogólnioną odmianą prawa Hooke'a, która stwierdza, że odkształcenie / odkształcenie sprężystego obiektu lub materiału jest proporcjonalne do naprężenia, jakie zostanie na niego przyłożone. Ponieważ jednak ogólne naprężenia i odkształcenia mogą mieć wiele niezależnych składników, „współczynnik proporcjonalności” może nie być już tylko pojedynczą liczbą rzeczywistą.
Dobrym przykładem tego może być radzenie sobie z wiatrem, w którym przykładane naprężenia różnią się intensywnością i kierunkiem. W takich przypadkach najlepiej zastosować mapę liniową (czyli tensor), która może być reprezentowana przez macierz liczb rzeczywistych zamiast jednej wartości.
Jeśli podobał Ci się ten artykuł, w Space Magazine spodoba ci się kilka innych. Oto jeden z wkładów Sir Isaaca Newtona w wiele dziedzin nauki. Oto ciekawy artykuł o grawitacji.
Istnieje również kilka świetnych zasobów online, takich jak wykład o prawie Hooke'a, który można obejrzeć na academicearth.org. Istnieje również doskonałe wytłumaczenie elastyczności na howstuffworks.com.
Możesz także posłuchać odcinka 138, Mechanika kwantowa z obsady astronomicznej, aby uzyskać więcej informacji.
Źródła:
Hiperfizyka
Fizyka 24/7
