Våren er et under av menneskelig prosjektering og kreativitet. Disse funksjonene gir igjen mulighet for å skape mange menneskeskapte gjenstander, de fleste av dem dukket opp som en del av den vitenskapelige revolusjonen på slutten av 1600- og 1700-tallet.
Som et elastisk objekt som brukes til å lagre mekanisk energi, er bruksområdene for dem omfattende, noe som muliggjør ting som bilopphengssystemer, pendelklokker, håndsenger, avviklede leker, klokker, rottefeller, digitale mikromirrorinnretninger, og selvfølgelig , Slinky.
Som så mange andre enheter oppfunnet gjennom århundrer, er det nødvendig med en grunnleggende forståelse av mekanikken før den kan brukes så mye. Når det gjelder fjærer betyr dette å forstå lovene om elastisitet, vridning og kraft som kommer inn i bildet - som sammen er kjent som Hookes lov.
Hookes lov er et prinsipp i fysikk som sier at kraften som trengs for å forlenge eller komprimere en fjær med en viss avstand, er proporsjonal med den avstanden. Loven er oppkalt etter det britiske fysikeren Robert Hooke fra 1600-tallet, som forsøkte å demonstrere forholdet mellom styrkene som ble anvendt på en fjær og dens elastisitet.
Han uttalte først loven i 1660 som et latin anagram, og publiserte deretter løsningen i 1678 som ut tensio, sic vis - som oversatt betyr "som forlengelse, slik at kraften" eller "forlengelsen er proporsjonal med styrken").
Dette kan uttrykkes matematisk som F = -kX, hvor F er kraften som påføres fjæren (enten i form av belastning eller belastning); X er forskyvningen av fjæren, med en negativ verdi som viser at forskyvningen av fjæren når den er strukket; og k er våren konstant og detaljer hvor stiv den er.
Hookes lov er det første klassiske eksemplet på en forklaring på elastisitet - som er egenskapen til et objekt eller materiale som får den til å bli gjenopprettet til sin opprinnelige form etter forvrengning. Denne muligheten til å gå tilbake til normal form etter å ha opplevd forvrengning, kan bli referert til som en "gjenopprettingskraft". Forstått når det gjelder Hookes lov, er denne gjenopprettende kraften generelt proporsjonal med mengden "strekk" som oppleves.
I tillegg til å styre oppførselen til fjærer, gjelder Hookes lov også i mange andre situasjoner der en elastisk kropp er deformert. Disse kan omfatte alt fra å blåse opp en ballong og trekke på et gummibånd til å måle mengden vindkraft som er nødvendig for å få en høy bygning til å svinge og svaie.
Denne loven har hatt mange viktige praktiske bruksområder, der den ene var å lage et balanseringshjul, som muliggjorde opprettelsen av den mekaniske klokken, den bærbare timingen, fjærskalaen og manometeret (aka trykkmåleren). Fordi det er en nær tilnærming til alle solide kropper (så lenge deformasjonskreftene er små nok), er mange grener av vitenskap og teknikk også gjeld til Hooke for å komme med denne loven. Disse inkluderer fagområdene seismologi, molekylær mekanikk og akustikk.
Som de fleste klassiske mekanikere fungerer imidlertid Hookes lov bare innenfor en begrenset referanseramme. Fordi ikke noe materiale kan komprimeres utover en viss minimumsstørrelse (eller strekkes utover en maksimal størrelse) uten noen permanent deformasjon eller endring av tilstand, gjelder det bare så lenge en begrenset mengde kraft eller deformasjon er involvert. Faktisk vil mange materialer merkbart avvike fra Hookes lov i god tid før de elastiske grensene er nådd.
Likevel, i sin generelle form, er Hookes lov forenlig med Newtons lover om statisk likevekt. Sammen gjør de det mulig å utlede forholdet mellom belastning og belastning for komplekse gjenstander med tanke på de iboende materialene til egenskapene den er laget av. For eksempel kan man utlede at en homogen stang med ensartet tverrsnitt vil oppføre seg som en enkel fjær når den er strukket, med en stivhet (k) direkte proporsjonalt med tverrsnittsarealet og omvendt proporsjonalt med lengden.
En annen interessant ting med Hookes lov er at det er et perfekt eksempel på den første loven om termodynamikk. Enhver vår når den komprimeres eller forlenges, sparer nesten energien som brukes på den. Den eneste tapte energien skyldes naturlig friksjon.
I tillegg inneholder Hookes lov en bølgelignende periodisk funksjon. En fjær frigjort fra en deformert stilling vil returnere til sin opprinnelige posisjon med proporsjonal kraft gjentatte ganger i en periodisk funksjon. Bevegelsens bølgelengde og frekvens kan også observeres og beregnes.
Den moderne teorien om elastisitet er en generalisert variasjon av Hookes lov, som sier at belastningen / deformasjonen av et elastisk objekt eller materiale er proporsjonalt med spenningen som påføres det. Siden generelle påkjenninger og belastninger kan ha flere uavhengige komponenter, er imidlertid ikke "proporsjonalitetsfaktoren" lenger bare et reelt tall.
Et godt eksempel på dette vil være når man arbeider med vind, der belastningen som brukes varierer i intensitet og retning. I tilfeller som disse er det best å bruke et lineært kart (også en tensor) som kan representeres av en matrise med reelle tall i stedet for en enkelt verdi.
Hvis du likte denne artikkelen er det flere andre som du vil glede deg av i Space Magazine. Her er en om Sir Isaac Newtons bidrag til de mange vitenskapsfeltene. Her er en interessant artikkel om tyngdekraften.
Det er også noen gode ressurser på nettet, for eksempel dette foredraget om Hookes lov som du kan se på academicearth.org. Det er også en flott forklaring på elastisitet på howstuffworks.com.
Du kan også høre på Episode 138, Quantum Mechanics from Astronomy Cast for mer informasjon.
kilder:
Hyperphysics
Fysikk 24/7
