Våren är ett under av mänsklig teknik och kreativitet. Dessa funktioner tillåter i sin tur skapandet av många konstgjorda föremål, de flesta uppstod som en del av den vetenskapliga revolutionen under sena 1600- och 1700-talet.
Som ett elastiskt föremål som används för att lagra mekanisk energi är applikationerna för dem omfattande, vilket möjliggör sådant som ett fordonsupphängningssystem, pendelklockor, handdukar, lindningsleksaker, klockor, råttfällor, digitala mikromirroranordningar och naturligtvis , Slinky.
Liksom så många andra enheter som uppfunnits under århundradena krävs en grundläggande förståelse av mekaniken innan den kan användas så allmänt. När det gäller fjädrar betyder detta att förstå lagarna om elasticitet, vridning och kraft som kommer in i spelet - som tillsammans kallas Hookes lag.
Hookes lag är en princip i fysiken som säger att kraften som behövs för att förlänga eller komprimera en fjäder på ett visst avstånd är proportionell mot det avståndet. Lagen är uppkallad efter den brittiska fysikern Robert Hooke från 1600-talet, som försökte visa förhållandet mellan krafterna som applicerades på en fjäder och dess elasticitet.
Han uttalade först lagen 1660 som ett latinskt anagram och publicerade sedan lösningen 1678 som ut tensio, sic vis - som översatt betyder "som förlängningen, så kraften" eller "förlängningen är proportionell mot kraften").
Detta kan uttryckas matematiskt som F = -kX, var F är den kraft som appliceras på fjädern (antingen i form av spänning eller spänning); X är förskjutningen av fjädern, med ett negativt värde som visar att förskjutningen av fjädern när den har sträckts; och k är våren konstant och specificerar hur styv den är.
Hookes lag är det första klassiska exemplet på en förklaring av elasticitet - som är egenskapen hos ett objekt eller ett material som gör att det återställs till sin ursprungliga form efter snedvridning. Denna förmåga att återgå till normal form efter upplevelse av snedvridning kan kallas en "återställningskraft". Förstått i fråga om Hookes lag är denna återställningskraft generellt proportionell mot mängden "sträcka" upplevt.
Förutom att reglera fjädrarnas beteende gäller Hookes lag också i många andra situationer där en elastisk kropp deformeras. Dessa kan inkludera allt från att blåsa upp en ballong och dra på ett gummiband till att mäta mängden vindkraft som krävs för att göra en hög byggnad böja och svänga.
Denna lag har haft många viktiga praktiska tillämpningar, varav en var skapandet av ett balanshjul, vilket möjliggjorde skapandet av den mekaniska klockan, den bärbara tidstycket, fjäderskalan och manometern (aka tryckmätaren). Eftersom det är en nära tillnärmning av alla fasta kroppar (så länge deformationskrafter är tillräckligt små), är många grenar av vetenskap och teknik också skulderade till Hooke för att komma med denna lag. Dessa inkluderar disciplinerna seismologi, molekylmekanik och akustik.
Men som de flesta klassiska mekaniker fungerar Hookes lag bara inom en begränsad referensram. Eftersom inget material kan komprimeras utöver en viss minimistorlek (eller sträckas utöver en maximal storlek) utan någon permanent deformation eller förändring av tillstånd, gäller det bara så länge som en begränsad mängd kraft eller deformation är inblandad. Faktum är att många material kommer att märkbart avvika från Hookes lag långt innan dessa elastiska gränser uppnås.
Fortfarande, i dess allmänna form, är Hookes lag förenlig med Newtons lagar om statisk jämvikt. Tillsammans gör de det möjligt att härleda förhållandet mellan spänning och spänning för komplexa föremål i termer av de inre materialen för egenskaperna den är gjord av. Till exempel kan man dra slutsatsen att en homogen stav med enhetligt tvärsnitt kommer att uppträda som en enkel fjäder när den är sträckt, med en styvhet (k) direkt proportionell mot dess tvärsnittsarea och omvänt proportionell mot dess längd.
En annan intressant sak med Hookes lag är att det är ett perfekt exempel på termodynamikens första lag. Varje vår när den komprimeras eller förlängs sparar nästan perfekt energin som appliceras på den. Den enda förlorade energin beror på naturlig friktion.
Hookes lag innehåller dessutom en vågliknande periodisk funktion. En fjäder som frigörs från ett deformerat läge kommer att återgå till sitt ursprungliga läge med proportionell kraft upprepade gånger i en periodisk funktion. Rörelsens våglängd och frekvens kan också observeras och beräknas.
Den moderna teorin om elasticitet är en generaliserad variation av Hookes lag, som säger att belastningen / deformationen för ett elastiskt föremål eller material är proportionell mot den belastning som appliceras på det. Men eftersom allmänna påkänningar och stammar kan ha flera oberoende komponenter, kanske "proportionalitetsfaktorn" inte längre bara är ett enda reellt tal.
Ett bra exempel på detta skulle vara när man hanterar vind, där den pålagda spänningen varierar i intensitet och riktning. I sådana fall är det bäst att använda en linjär karta (alias en tensor) som kan representeras av en matris med verkliga tal istället för ett enda värde.
Om du gillade den här artikeln finns det flera andra som du kommer att njuta av i Space Magazine. Här är en om Sir Isaac Newtons bidrag till de många vetenskapsområdena. Här är en intressant artikel om tyngdkraften.
Det finns också några stora resurser online, till exempel den här föreläsningen om Hookes lag som du kan se på academicearth.org. Det finns också en bra förklaring till elasticitet på howstuffworks.com.
Du kan också lyssna på avsnitt 138, Quantum Mechanics från Astronomy Cast för mer information.
källor:
Hyperphysics
Fysik 24/7
