Весна - это чудо человеческой инженерии и творчества. Эти функции, в свою очередь, позволяют создавать многие искусственные объекты, большинство из которых возникли как часть научной революции в конце 17 и 18 веков.
В качестве упругого объекта, используемого для хранения механической энергии, приложения для них обширны, что делает возможным такие вещи, как автомобильные подвесные системы, маятниковые часы, ручные ножницы, заводные игрушки, часы, ловушки для крыс, цифровые микрозеркальные устройства и, конечно, Слинки.
Как и многие другие устройства, изобретенные на протяжении веков, требуется базовое понимание механики, прежде чем она сможет широко использоваться. С точки зрения пружин это означает понимание законов упругости, кручения и силы, которые вступают в игру - которые вместе известны как закон Гука.
Закон Гука - это физический принцип, согласно которому сила, необходимая для растяжения или сжатия пружины на некоторое расстояние, пропорциональна этому расстоянию. Закон назван в честь британского физика 17-го века Роберта Гука, который стремился продемонстрировать связь между силами, действующими на пружину, и ее упругостью.
Сначала он сформулировал закон в 1660 году как латинскую анаграмму, а затем опубликовал решение в 1678 году как UT TENSIO, SIC VIS - что в переводе означает «как расширение, так и сила» или «расширение пропорционально силе»).
Это может быть выражено математически как F = -kX, где F сила, приложенная к пружине (в виде напряжения или напряжения); Икс - смещение пружины, при этом отрицательное значение демонстрирует смещение пружины после ее растяжения; а также К это постоянная пружины и детали, насколько она жесткая.
Закон Гука является первым классическим примером объяснения упругости, которое является свойством объекта или материала, который заставляет его восстанавливать свою первоначальную форму после искажения. Эта способность возвращаться к нормальной форме после переживания искажения может быть названа «восстанавливающей силой». Понятно с точки зрения закона Гука, эта восстанавливающая сила, как правило, пропорциональна степени «растяжения».
В дополнение к регулированию поведения пружин, закон Гука также применяется во многих других ситуациях, когда упругое тело деформируется. Это может быть что угодно - от надувания воздушного шара и натяжения резиновой ленты до измерения величины силы ветра, необходимой для изгиба и раскачивания высокого здания.
Этот закон имел много важных практических применений, одним из которых было создание колеса баланса, которое сделало возможным создание механических часов, переносных часов, пружинной шкалы и манометра (он же манометр). Кроме того, поскольку это близкое приближение ко всем твердым телам (при условии, что силы деформации достаточно малы), многочисленные отрасли науки и техники также обязаны Хуку за разработку этого закона. К ним относятся дисциплины сейсмологии, молекулярной механики и акустики.
Однако, как и большинство классической механики, закон Гука работает только в ограниченной системе координат. Поскольку ни один материал не может быть сжат за пределы определенного минимального размера (или растянут за пределы максимального размера) без какой-либо постоянной деформации или изменения состояния, он применяется только до тех пор, пока задействована ограниченная сила или деформация. Фактически, многие материалы заметно отклонятся от закона Гука задолго до того, как будут достигнуты эти пределы упругости.
Тем не менее, в общем виде закон Гука совместим с законами статического равновесия Ньютона. Вместе они позволяют вывести взаимосвязь между деформацией и напряжением для сложных объектов с точки зрения свойств материалов, из которых она изготовлена. Например, можно сделать вывод, что однородный стержень с равномерным поперечным сечением будет вести себя как простая пружина при растяжении с жесткостью (К) прямо пропорциональна его площади поперечного сечения и обратно пропорциональна его длине.
Еще одна интересная вещь в законе Гука заключается в том, что он является прекрасным примером Первого закона термодинамики. Любая пружина при сжатии или растяжении почти идеально сохраняет энергию, приложенную к ней. Единственная потеря энергии происходит из-за естественного трения.
Кроме того, закон Гука содержит внутри себя волнообразную периодическую функцию. Пружина, выпущенная из деформированного положения, будет периодически возвращаться в исходное положение с пропорциональной силой в периодической функции. Длина волны и частота движения также могут наблюдаться и рассчитываться.
Современная теория упругости является обобщенным вариантом закона Гука, который утверждает, что деформация / деформация упругого объекта или материала пропорциональна приложенному к нему напряжению. Однако, поскольку общие напряжения и деформации могут иметь несколько независимых компонентов, «коэффициент пропорциональности» больше не может быть просто одним действительным числом.
Хороший пример этого может быть при работе с ветром, где приложенное напряжение изменяется по интенсивности и направлению. В подобных случаях лучше всего использовать линейную карту (т. Е. Тензор), которая может быть представлена матрицей действительных чисел вместо одного значения.
Если вам понравилась эта статья, есть несколько других, которые вам понравятся в журнале Space. Вот один из вкладов сэра Исаака Ньютона во многие области науки. Вот интересная статья о гравитации.
В Интернете также есть несколько замечательных ресурсов, таких как лекция о законе Гука, которую вы можете посмотреть на сайте academicearth.org. На howstuffworks.com также есть отличное объяснение эластичности.
Вы также можете послушать Эпизод 138, Квантовая механика из Astronomy Cast для получения дополнительной информации
Источники:
Гиперфизика
Физика 24/7
