Пролетта е чудо на човешкото инженерство и творчество. Тези функции от своя страна позволяват създаването на много обекти, създадени от човека, повечето от които възникват като част от Научната революция през края на XVII и XVIII век.
Като еластичен обект, използван за съхранение на механична енергия, приложенията към тях са многобройни, което прави възможни неща като системи за окачване на автомобили, часовници с махало, ръчни ножици, играчки за навиване, часовници, капани за плъхове, цифрови микромикров устройства и разбира се , Slinky
Подобно на много други устройства, изобретени през вековете, е необходимо основно разбиране на механиката, преди да може да се използва толкова широко. По отношение на пружините това означава разбиране на законите на еластичността, усукването и силата, които влизат в игра - които заедно са известни като Закон на Хук.
Законът на Хук е принцип на физиката, който гласи, че силата, необходима за удължаване или свиване на пружина на известно разстояние, е пропорционална на това разстояние. Законът е кръстен на британския физик от 17 век Робърт Хук, който се опита да демонстрира връзката между силите, приложени към пружина, и нейната еластичност.
Първо той заявява закона през 1660 г. като латинска анаграма, а след това публикува решението през 1678 г. като ut tensio, sic vis - което в превод означава „като удължаване, така силата“ или „разширението е пропорционално на силата“).
Това може да се изрази математически като F = -kX, където F е силата, приложена към пружината (под формата на напрежение или напрежение); х е изместването на пружината, с отрицателна стойност, демонстрираща, че изместването на пружината след нейното разтягане; и к е константата на пролетта и подробно описва колко е твърда.
Законът на Хук е първият класически пример за обяснение на еластичността - което е свойството на предмет или материал, което води до възстановяването му до първоначалната си форма след изкривяване. Тази способност да се върне в нормална форма след изкривяване може да бъде посочена като „възстановяваща сила“. Разбрана от Закона на Хук, тази възстановяваща сила като цяло е пропорционална на преживеното количество разтягане.
Освен че управлява поведението на пружините, законът на Хук се прилага и в много други ситуации, при които еластично тяло е деформирано. Те могат да включват всичко - от надуване на балон и придърпване на гумена лента до измерване на количеството сила на вятъра, което е необходимо, за да се направи и да се завие висока сграда.
Този закон има много важни практически приложения, като едно от тях е създаването на балансиращо колело, което направи възможно създаването на механичния часовник, преносимия часовник, пружинната скала и манометъра (известен още като манометър). Освен това, тъй като е близко сближаване на всички твърди тела (стига силите на деформация да са достатъчно малки), многобройни отрасли на науката и техниката също са задължени на Хук, за да излезе с този закон. Те включват дисциплините сеизмология, молекулярна механика и акустика.
Въпреки това, както повечето класически механици, законът на Хук работи само в ограничена референтна рамка. Тъй като никой материал не може да се компресира над определен минимален размер (или да се разтегне над максималния размер) без някаква постоянна деформация или промяна на състоянието, той се прилага само при условие, че има ограничено количество сила или деформация. Всъщност много материали значително ще се отклонят от закона на Гук, преди да бъдат достигнати тези еластични граници.
И все пак, в общата си форма, законът на Хук е съвместим със законите на Нютон за статично равновесие. Заедно те дават възможност да се изведе връзката между напрежение и напрежение за сложни обекти по отношение на присъщите материали на свойствата, от които е направена. Например, може да се заключи, че еднороден прът с еднакво напречно сечение ще се държи като обикновена пружина, когато се опъне, с твърдост (к) пряко пропорционална на площта на напречното му сечение и обратно пропорционална на дължината му.
Друго интересно нещо в закона на Хук е, че той е перфектен пример за Първия закон на термодинамиката. Всяка пролет, когато се компресира или разшири, почти перфектно запазва приложената към нея енергия. Единствената загубена енергия се дължи на естественото триене.
Освен това законът на Хук съдържа в себе си периодична функция, наподобяваща вълна. Пружина, освободена от деформирано положение, ще се върне в първоначалното си положение с пропорционална сила многократно в периодична функция. Дължината на вълната и честотата на движение също могат да бъдат наблюдавани и изчислени.
Съвременната теория на еластичността е обобщена промяна в закона на Хук, която гласи, че деформацията / деформацията на еластичен предмет или материал е пропорционална на напрежението, приложено към него. Въпреки това, тъй като общите напрежения и напрежения могат да имат множество независими компоненти, „коефициентът на пропорционалност“ вече не може да бъде само едно реално число.
Добър пример за това е, когато се справяме с вятъра, където прилаганият стрес варира по интензитет и посока. В случаи като тези, най-добре е да се използва линейна карта (известна още като тензор), която може да бъде представена чрез матрица от реални числа вместо една стойност.
Ако тази статия ви е харесала, има няколко други, на които ще ви хареса в Space Magazine. Ето един от приносите на сър Исак Нютон в много области на науката. Ето една интересна статия за гравитацията.
В интернет има и големи страхотни ресурси, като тази лекция за Закона на Хук, която можете да гледате на academicearth.org. На howstuffworks.com има и страхотно обяснение на еластичността.
Можете също така да слушате Епизод 138, Квантова механика от Астрономически роли за повече информация.
Източници:
Hyperphysics
Физика 24/7
