Proljeće je čudo ljudskog inženjerstva i kreativnosti. Ove funkcije zauzvrat omogućuju stvaranje mnogih umjetnih objekata, od kojih je većina nastala kao dio znanstvene revolucije tijekom kasnih 17. i 18. stoljeća.
Kao elastični objekt koji se koristi za pohranjivanje mehaničke energije, aplikacije za njih su opsežne i omogućuju takve stvari kao što su sustav ovjesa za automobile, satovi za klatno, maramice za ruke, igračke za navijanje, satovi, zamke za štakore, digitalni mikromirror uređaji i naravno , Slinky.
Kao i mnogi drugi uređaji izmišljeni stoljećima, potrebno je osnovno razumijevanje mehanike prije nego što se ona može široko koristiti. U smislu opruga, to znači razumijevanje zakona elastičnosti, torzije i sile koji dolaze u igru - koji su zajedno poznati kao Hookeov zakon.
Hookeov zakon je princip fizike koji kaže da je sila potrebna za produljenje ili stiskanje opruge s neke udaljenosti proporcionalna toj udaljenosti. Zakon je nazvan po britanskom fizičaru iz 17. stoljeća Robertu Hookeu, koji je želio pokazati odnos između sila koje se primjenjuju na oprugu i njezine elastičnosti.
Prvi je zakon izjavio 1660. godine kao latinski anagram, a zatim je rješenje objavio u 1678. godini ut tensio, sic vis - što u prijevodu znači "kao produženje, tako je sila" ili "produženje proporcionalno sili").
To se može matematički izraziti kao F = -kX, gdje F je sila primijenjena na oprugu (bilo u obliku naprezanja ili naprezanja); x pomak opruge, s negativnom vrijednošću koja pokazuje da je pomak opruge jednom kad se isteže; i k je konstantna opruga i detalje koliko je tvrda.
Hookeov zakon prvi je klasični primjer objašnjenja elastičnosti - što je svojstvo predmeta ili materijala zbog kojeg se nakon izobličenja vraća u prvobitni oblik. Ova sposobnost da se vrati u normalan oblik nakon što je došlo do izobličenja može se nazvati "obnovljivom silom". Shvaćena u smislu Hookeovog zakona, ta obnavljavajuća sila općenito je proporcionalna količini koju je "istegnuo".
Osim što upravlja ponašanjem opruga, Hookeov zakon primjenjuje se i u mnogim drugim situacijama kada je elastično tijelo deformirano. Oni mogu uključivati sve, od naduvavanja balona i povlačenja gumenom vrpcom do mjerenja količine sile vjetra koja je potrebna kako bi se visoki građevinski zavoj savio i probio.
Ovaj je zakon imao brojne važne praktične primjene, pri čemu je jedna bila izrada kotača za ravnotežu, što je omogućilo stvaranje mehaničkog sata, prijenosnog sata, opružne ljestvice i manometra (aka mjerač tlaka). Također, jer je to približna obrada svih čvrstih tijela (sve dok su sile deformacije dovoljno malene), brojne grane znanosti i inženjerstva, također su zadužene za Hookea, da je došao do ovog zakona. To uključuje discipline seizmologije, molekularne mehanike i akustike.
Međutim, kao i većina klasičnih mehanika, Hookeov zakon djeluje samo u ograničenom referentnom okviru. Budući da nijedan materijal ne može biti komprimiran izvan određene minimalne veličine (ili se proteže izvan maksimalne veličine) bez trajne deformacije ili promjene stanja, on se primjenjuje samo dok je uključena ograničena količina sile ili deformacije. Zapravo će mnogi materijali primjetno odstupiti od Hookeovog zakona i prije nego što se dostignu te elastične granice.
Ipak, u svom općem obliku, Hookeov zakon kompatibilan je s Newtonovim zakonima statičke ravnoteže. Zajedno omogućavaju zaključak odnosa naprezanja i naprezanja za složene predmete u smislu svojstvenih materijala od njihovih svojstava. Na primjer, može se zaključiti da će se homogena šipka s ujednačenim presjekom ponašati poput jednostavne opruge kada se ispruži, s krutošću (k) izravno proporcionalan njegovom području presjeka i obrnuto proporcionalan njegovoj duljini.
Još jedna zanimljivost Hookeovog zakona je da je to savršen primjer Prvog zakona termodinamike. Svako proljeće kada se komprimira ili produži gotovo savršeno čuva energiju koja se na njega primjenjuje. Jedina izgubljena energija je zbog prirodnog trenja.
Uz to, Hookeov zakon sadrži u sebi periodičnu funkciju poput vala. Opruga koja se oslobađa iz deformiranog položaja vratit će se u prvobitni položaj s proporcionalnom snagom koja se ponavlja u periodičnoj funkciji. Valna duljina i učestalost pokreta također se mogu promatrati i izračunati.
Suvremena teorija elastičnosti generalizirana je varijanta Hookeovog zakona koja kaže da su naprezanje / deformacija elastičnog predmeta ili materijala proporcionalne naprezanju na njega. Međutim, budući da opća naprezanja i naprezanja mogu imati više neovisnih komponenti, faktor proporcionalnosti više ne može biti samo jedan stvarni broj.
Dobar primjer za to bi bio kad se radi o vjetru, gdje primijenjeni stres varira u intenzitetu i smjeru. U slučajevima poput ovih, najbolje je koristiti linearnu mapu (aka. Tenzor) koja se može predstaviti matricom stvarnih brojeva umjesto jedne vrijednosti.
Ako vam se svidio ovaj članak, u Space Magazinu ćete uživati nekoliko drugih. Evo jednog o doprinosu sir Isaaca Newtona u mnogim područjima znanosti. Ovdje je zanimljiv članak o gravitaciji.
Postoje i sjajni izvori na mreži, poput ovog predavanja o Hookeovom zakonu, koje možete pogledati na academicearth.org. Također postoji veliko objašnjenje elastičnosti na web lokaciji howstuffworks.com.
Za više informacija možete poslušati i epizodu 138, Quantum Mechanics iz Astronomy Cast-a.
izvori:
Hyperphysics
Fizika 24/7
