Prameň je zázrakom ľudského inžinierstva a kreativity. Tieto funkcie zase umožňujú vytvorenie mnohých umelých predmetov, z ktorých väčšina sa objavila ako súčasť vedeckej revolúcie na konci 17. a 18. storočia.
Ako elastický predmet, ktorý sa používa na ukladanie mechanickej energie, sú jeho aplikácie rozsiahle, čo umožňuje také veci, ako sú automobilové závesné systémy, kyvadlové hodiny, šmykové držadlá, navíjacie hračky, hodinky, pasce na potkany, digitálne mikromirrorové zariadenia a samozrejme , Slinky.
Ako toľko iných zariadení vynalezených v priebehu storočí, pred tým, ako sa dá tak široko používať, je potrebné základné porozumenie mechaniky. Pokiaľ ide o pružiny, znamená to pochopenie zákonov pružnosti, krútenia a sily, ktoré prichádzajú do hry - ktoré sú spolu známe ako Hookeov zákon.
Hookeho zákon je zásada fyziky, ktorá uvádza, že sila potrebná na predĺženie alebo stlačenie pružiny o určitú vzdialenosť je úmerná tejto vzdialenosti. Zákon je pomenovaný po 17. storočí britského fyzika Roberta Hooke, ktorý sa snažil demonštrovať vzťah medzi silami pôsobiacimi na pružinu a jej pružnosťou.
Najprv uviedol zákon v roku 1660 ako latinský anagram a potom riešenie uverejnil v roku 1678 ako utensio, sic vis - čo znamená „ako predĺženie, takže sila“ alebo „predĺženie je úmerné sile“).
To možno matematicky vyjadriť ako F = -kX, kde F je sila pôsobiaca na pružinu (buď vo forme napätia alebo napätia); X je posunutie pružiny so zápornou hodnotou, ktorá ukazuje, že posunutie pružiny je po jej roztiahnutí; a k je jarná konštanta a zobrazuje podrobnosti o tom, ako je tuhá.
Hookeho zákon je prvým klasickým príkladom vysvetlenia elasticity - čo je vlastnosť objektu alebo materiálu, ktorý spôsobí, že sa po zdeformovaní vráti do pôvodného tvaru. Túto schopnosť vrátiť sa do normálneho tvaru po deformácii možno nazvať „obnovovacia sila“. Táto obnovovacia sila, pochopená v zmysle Hookeovho zákona, je vo všeobecnosti úmerná veľkosti prežívania.
Hookeho zákon sa okrem riadenia správania pružín uplatňuje aj v mnohých ďalších situáciách, keď je elastické telo zdeformované. Môže ísť o čokoľvek, od nafúknutia balónika a ťahania gumeného pásu po meranie množstva sily vetra, ktorá je potrebná na vytvorenie vysokého ohybu budovy.
Tento zákon má mnoho dôležitých praktických aplikácií, jedným z nich je vytvorenie vyvažovacieho kolieska, ktoré umožnilo vytvorenie mechanických hodín, prenosného hodinového prístroja, pružinovej stupnice a manometra (známych ako manometer). Pretože je to blízka aproximácia všetkých pevných telies (pokiaľ sú deformačné sily dosť malé), Hooke za to, že prišiel s týmto zákonom, zaviazali aj mnohé vedné a technické odbory. Patria sem disciplíny seizmológie, molekulárnej mechaniky a akustiky.
Avšak, rovnako ako väčšina klasických mechaník, aj Hookeov zákon funguje iba v obmedzenom rozsahu. Pretože žiadny materiál nemôže byť stlačený nad určitú minimálnu veľkosť (alebo natiahnutý za maximálnu veľkosť) bez nejakej trvalej deformácie alebo zmeny stavu, uplatňuje sa iba dovtedy, pokiaľ je prítomné obmedzené množstvo sily alebo deformácie. V skutočnosti sa veľa materiálov zreteľne odchýli od Hookeovho zákona ešte skôr, ako sa tieto elastické limity dosiahnu.
Vo svojej všeobecnej podobe je Hookeov zákon zlučiteľný s Newtonovými zákonmi statickej rovnováhy. Spoločne umožňujú odvodiť vzťah medzi napätím a stresom pre zložité objekty z hľadiska vnútorných materiálov vlastností, z ktorých sú vyrobené. Napríklad je možné odvodiť, že homogénna tyč s rovnomerným prierezom sa bude správať ako jednoduchá pružina, keď je natiahnutá, s tuhosťou (k) priamo úmerná ploche prierezu a nepriamo úmerná jej dĺžke.
Ďalšou zaujímavou vecou v súvislosti s Hookeho zákonom je to, že je dokonalým príkladom prvého zákona o termodynamike. Akákoľvek pružina po stlačení alebo vysunutí takmer dokonale šetrí energiu, ktorá na ňu pôsobí. Jediná stratená energia je spôsobená prirodzeným trením.
Navyše Hookeov zákon obsahuje vlnovitú periodickú funkciu. Pružina uvoľnená z deformovanej polohy sa vracia do svojej pôvodnej polohy s proporcionálnou silou opakovane v periodickej funkcii. Môže sa tiež pozorovať a vypočítať vlnová dĺžka a frekvencia pohybu.
Moderná teória pružnosti je zovšeobecnená variácia Hookeovho zákona, ktorá uvádza, že deformácia / deformácia elastického predmetu alebo materiálu je úmerná namáhaniu, ktoré naň pôsobí. Keďže však všeobecné napätia a kmene môžu mať viac nezávislých zložiek, „faktor proporcionality“ už nemusí byť iba jediné skutočné číslo.
Dobrým príkladom by bolo, keď sa bude zaoberať vetrom, kde použité napätie sa mení v intenzite a smere. V takýchto prípadoch je najlepšie použiť lineárnu mapu (tzv. Tenzor), ktorú môže reprezentovať matica reálnych čísel namiesto jedinej hodnoty.
Ak sa vám tento článok páčil, existuje niekoľko ďalších, ktoré sa vám budú páčiť v časopise Space Magazine. Tu je jeden o príspevkoch Sira Isaaca Newtona do mnohých oblastí vedy. Tu je zaujímavý článok o gravitácii.
Na webe nájdete aj niekoľko skvelých zdrojov, napríklad túto prednášku o Hookeovom zákone, ktorú si môžete pozrieť na adrese acadearth.org. Existuje aj veľké vysvetlenie elasticity na howstuffworks.com.
Viac informácií nájdete aj v epizóde 138, Quantum Mechanics od spoločnosti Astronomy Cast.
zdroj:
Hyperphysics
Fyzika 24/7
