Primăvara este o minunăție a ingineriei umane și a creativității. La rândul lor, aceste funcții permit crearea multor obiecte create de om, majoritatea apărând ca parte a Revoluției Științifice în cursul secolelor XVII și XVIII.
Fiind un obiect elastic folosit pentru stocarea energiei mecanice, aplicațiile pentru acestea sunt ample, ceea ce face posibilă astfel de sisteme de suspensie auto, ceasuri de pendul, scuturi de mână, jucării de vânt, ceasuri, capcane de șobolan, dispozitive digitale de micromiror și, bineînțeles. , Slinky.
Ca atât de multe alte dispozitive inventate de-a lungul secolelor, este necesară o înțelegere de bază a mecanicii înainte de a putea fi atât de larg utilizată. În ceea ce privește izvoarele, aceasta înseamnă înțelegerea legilor de elasticitate, torsiune și forță care intră în joc - care sunt cunoscute sub numele de Legea lui Hooke.
Legea lui Hooke este un principiu al fizicii care afirmă că forța necesară pentru extinderea sau comprimarea unui arc cu o anumită distanță este proporțională cu distanța respectivă. Legea poartă numele fizicianului britanic din secolul al XVII-lea Robert Hooke, care a căutat să demonstreze relația dintre forțele aplicate unui izvor și elasticitatea acestuia.
El a declarat mai întâi legea în 1660 ca un anagrama latină, apoi a publicat soluția în 1678 ca ut tensio, sic vis - ceea ce tradus, înseamnă „ca extensie, deci forța” sau „extensia este proporțională cu forța”).
Aceasta poate fi exprimată matematic ca F = -kX, Unde F este forța aplicată pe arc (fie sub formă de încordare, fie de efort); X este deplasarea arcului, cu o valoare negativă care demonstrează că deplasarea arcului odată ce este întinsă; și k este constantă de primăvară și detaliază cât de rigid este.
Legea lui Hooke este primul exemplu clasic de explicație a elasticității - care este proprietatea unui obiect sau a unui material care face ca acesta să fie restabilit la forma inițială după distorsiune. Această abilitate de a reveni la o formă normală după ce a suferit o distorsiune poate fi denumită „forță de restaurare”. Înțeleasă în termenii Legii lui Hooke, această forță de restaurare este, în general, proporțională cu cantitatea de „întindere” experimentată.
Pe lângă faptul că guvernează comportamentul arcurilor, Legea lui Hooke se aplică și în multe alte situații în care un corp elastic este deformat. Acestea pot include orice, de la umflarea unui balon și tragerea pe o bandă de cauciuc până la măsurarea forței vântului care este necesară pentru a face o aplecare și balansarea clădirii înalte.
Această lege a avut multe aplicații practice importante, una dintre ele fiind crearea unei roți de echilibru, ceea ce a făcut posibilă crearea ceasului mecanic, a cronometrului portabil, a scării cu arc și a manometrului (de asemenea, manometru). De asemenea, deoarece este o apropiere strânsă a tuturor corpurilor solide (atâta timp cât forțele deformării sunt suficient de mici), numeroase ramuri ale științei și ingineriei sunt de asemenea îndatorate lui Hooke pentru venirea acestei legi. Acestea includ disciplinele de seismologie, mecanică moleculară și acustică.
Cu toate acestea, ca majoritatea mecanicii clasice, Legea lui Hooke funcționează numai într-un cadru de referință limitat. Deoarece niciun material nu poate fi comprimat dincolo de o anumită dimensiune minimă (sau întins peste o dimensiune maximă) fără o deformare permanentă sau schimbare de stare, se aplică numai atât timp cât este implicată o cantitate limitată de forță sau deformare. De fapt, multe materiale se vor abate în mod vizibil de la legea lui Hooke înainte de atingerea acestor limite elastice.
Cu toate acestea, în forma sa generală, Legea lui Hooke este compatibilă cu legile Newton ale echilibrului static. Împreună, ele fac posibilă deducerea relației dintre tulpină și stres pentru obiecte complexe în ceea ce privește materialele intrinseci ale proprietăților din care este făcut. De exemplu, se poate deduce că o tijă omogenă cu secțiune transversală uniformă se va comporta ca un arc simplu atunci când este întinsă, cu o rigiditate (k) direct proporțional cu aria secțiunii sale transversale și invers proporțional cu lungimea sa.
Un alt lucru interesant legii lui Hooke este faptul că este un exemplu perfect al primei legi a termodinamicii. Orice arc atunci când este comprimat sau extins conservă aproape perfect energia aplicată acestuia. Singura energie pierdută se datorează frecării naturale.
În plus, legea lui Hooke conține în cadrul acesteia o funcție periodică asemănătoare valurilor. Un arc eliberat dintr-o poziție deformată va reveni în poziția inițială cu forța proporțională în mod repetat într-o funcție periodică. Lungimea de undă și frecvența mișcării pot fi, de asemenea, observate și calculate.
Teoria modernă a elasticității este o variație generalizată în legea lui Hooke, care afirmă că încordarea / deformarea unui obiect sau material elastic este proporțională cu stresul aplicat acestuia. Cu toate acestea, din moment ce tensiunile și tensiunile generale pot avea multiple componente independente, „factorul de proporționalitate” nu mai poate fi doar un singur număr real.
Un bun exemplu în acest sens ar fi atunci când avem de-a face cu vântul, unde tensiunea aplicată variază ca intensitate și direcție. În astfel de cazuri, este mai bine să folosiți o hartă liniară (de asemenea, un tensor) care poate fi reprezentată printr-o matrice de numere reale în loc de o singură valoare.
Dacă v-a plăcut acest articol, există mai multe altele de care vă veți bucura pe Space Magazine. Iată una despre contribuțiile lui Sir Isaac Newton la numeroasele domenii ale științei. Iată un articol interesant despre gravitație.
Există, de asemenea, câteva resurse excelente online, cum ar fi această prelegere despre Legea lui Hooke pe care o puteți urmări pe academicearth.org. Există, de asemenea, o explicație excelentă a elasticității pe howstuffworks.com.
De asemenea, puteți asculta episodul 138, Mecanica cuantică din Astronomy Cast pentru mai multe informații.
surse:
Hyperphysics
Fizică 24/7
