Весна - це диво людської інженерії та творчості. Ці функції, в свою чергу, дозволяють створити багато техногенних об'єктів, більшість з яких виникли в рамках Наукової революції в кінці 17-18 століття.
Як еластичний предмет, який використовується для зберігання механічної енергії, додатки для них є великими, завдяки чому можливі такі речі, як автомобільні підвісні системи, маятникові годинники, рукоятки для рук, іграшки для намотування, годинник, пастки для щурів, цифрові пристрої мікро-дзеркала та, звичайно, , Слінкі.
Як і в багатьох інших пристроях, винайдених впродовж століть, для його широкого використання потрібне принципове розуміння механіки. Що стосується пружин, це означає розуміння законів пружності, кручення і сили, що вступають у гру - які разом відомі як Закон Гука.
Закон Гука - це принцип фізики, який говорить, що сила, необхідна для розширення або стиснення пружини на деяку відстань, пропорційна цій відстані. Закон названий на честь британського фізика 17 століття Роберта Гука, який прагнув продемонструвати взаємозв'язок сил, застосованих до пружини, та її еластичності.
Він вперше заявив закон у 1660 р. Як латинську анаграму, а потім опублікував рішення в 1678 р. Як ut tensio, sic vis - що в перекладі означає "як розширення, так сила" або "розширення пропорційно силі").
Це можна виразити математично як F = -kX, де Ж - сила, прикладена до пружини (або у вигляді напруги, або напруги); Х - зміщення пружини з від’ємним значенням, що демонструє зміщення пружини після її розтягування; і к є постійною пружиною і деталізує, наскільки вона жорстка.
Закон Гука - це перший класичний приклад пояснення еластичності - властивість предмета чи матеріалу, що змушує його відновити первісну форму після спотворення. Ця здатність повертатися до нормальної форми після відчуття спотворень може бути віднесена до "відновної сили". Зрозумілий з точки зору Закону Гука, ця відновлююча сила, як правило, пропорційна кількості пережитого "розтягування".
Окрім правила поведінки пружин, закон Гука застосовується також у багатьох інших ситуаціях, коли еластичне тіло деформоване. Вони можуть включати що завгодно - від надування повітряної кулі та натягування на гумку до вимірювання кількості сили вітру, необхідного для того, щоб зробити високий будівельний вигин і гойдатися.
Цей закон мав багато важливих практичних застосувань, одне з яких було створення балансового колеса, що стало можливим створення механічного годинника, переносного годинника, пружинної шкали та манометра (т.к. манометр). Крім того, оскільки це близьке наближення всіх твердих тіл (доки сили деформації недостатньо малі), численні галузі науки та техніки також заборгували Гука за те, щоб придумати цей закон. Сюди входять дисципліни сейсмології, молекулярної механіки та акустики.
Однак, як і більшість класичних механіків, закон Гука працює лише в обмеженій системі відліку. Оскільки жоден матеріал не може бути стиснутий за певний мінімальний розмір (або розтягнутий понад максимальний розмір) без якоїсь постійної деформації або зміни стану, він застосовується лише до тих пір, коли буде задіяна обмежена кількість сили чи деформації. Насправді багато матеріалів помітно відхиляться від закону Гука задовго до досягнення цих еластичних меж.
Проте, у загальному вигляді закон Гука сумісний із законами Ньютона про статичну рівновагу. Разом вони дають можливість вивести зв’язок між напруженням і напругою для складних предметів з точки зору внутрішніх матеріалів властивостей, з яких він виготовлений. Наприклад, можна зробити висновок, що однорідний стрижень з рівномірним перетином буде вести себе як звичайна пружина при розтягуванні з жорсткістю (к) прямо пропорційна площі її поперечного перерізу і обернено пропорційна його довжині.
Ще одна цікава річ закону Гука полягає в тому, що він є прекрасним прикладом Першого закону термодинаміки. Будь-яка весна при стисненні або розширенні майже ідеально зберігає енергію, що застосовується до неї. Єдина втрачена енергія відбувається через природне тертя.
Крім того, закон Гука містить у собі періодичну функцію, що нагадує хвилю. Пружина, що вивільняється з деформованого положення, повертається у вихідне положення з пропорційною силою неодноразово в періодичну функцію. Довжина хвилі та частота руху також можна спостерігати та обчислювати.
Сучасна теорія пружності - це узагальнена зміна закону Гука, яка стверджує, що деформація / деформація пружного предмета чи матеріалу пропорційна напруженню, яке на нього накладається. Однак, оскільки загальні напруження та деформації можуть мати кілька незалежних компонентів, “коефіцієнт пропорційності” вже не може бути лише єдиним реальним числом.
Хороший приклад цього може бути при роботі з вітром, коли напруга, що застосовується, змінюється по інтенсивності та напрямку. У таких випадках найкраще використовувати лінійну карту (також тензор), яку можна представити матрицею дійсних чисел замість одного значення.
Якщо вам сподобалася ця стаття, у Space Space Magazine вам сподобається кілька інших. Ось один з приклад сера Ісаака Ньютона в багатьох галузях науки. Ось цікава стаття про гравітацію.
В Інтернеті також є кілька чудових ресурсів, як-от ця лекція про закон Гука, яку ви можете подивитися на academicearth.org. Також на сайті howstuffworks.com є чудове пояснення еластичності.
Ви також можете прослухати Епізод 138, Квантова механіка з астрономічної ролі для отримання додаткової інформації.
Джерела:
Гіперфізика
Фізика 24/7
