Pramen je zázrakem lidského inženýrství a kreativity. Tyto funkce zase umožňují vytvářet mnoho uměle vytvořených předmětů, z nichž většina se objevila jako součást vědecké revoluce na konci 17. a 18. století.
Jako elastický předmět, který se používá k ukládání mechanické energie, jsou jejich aplikace rozsáhlé, což umožňuje takové věci, jako jsou automobilové zavěšovací systémy, kyvadlové hodiny, ruční vodítka, hračky na navíjení, hodinky, pastí na krysy, digitální mikromirorová zařízení a samozřejmě , Slinky.
Stejně jako mnoho jiných zařízení vynalezených v průběhu staletí, je nezbytné základní porozumění mechanice, než bude moci tak široce používat. Pokud jde o pružiny, znamená to pochopit zákony pružnosti, kroucení a síly, které přicházejí do hry - které se společně nazývají Hookeův zákon.
Hookeův zákon je princip fyziky, který uvádí, že síla potřebná k prodloužení nebo stlačení pružiny o určitou vzdálenost je úměrná této vzdálenosti. Zákon je pojmenován po 17. století britským fyzikem Robertem Hookem, který se snažil prokázat vztah mezi silami aplikovanými na pružinu a její pružností.
Nejprve uvedl zákon v roce 1660 jako latinský anagram a poté řešení zveřejnil v roce 1678 jako ut tensio, sic vis - což znamená „jako prodloužení, takže síla“ nebo „prodloužení je úměrné síle“).
To lze matematicky vyjádřit jako F = -kX, kde F je síla působící na pružinu (buď ve formě napětí nebo napětí); X je posunutí pružiny se zápornou hodnotou prokazující, že posunutí pružiny po jejím natažení; a k je jarní konstanta a podrobnosti o tom, jak je tuhá.
Hookeův zákon je prvním klasickým příkladem vysvětlení pružnosti - což je vlastnost předmětu nebo materiálu, která způsobí, že se po deformaci vrátí do původního tvaru. Tuto schopnost vrátit se do normálního tvaru po deformaci lze označit jako „obnovovací síla“. Tato obnovovací síla, pochopená z hlediska Hookeova zákona, je obecně úměrná množství „protažení“, které zažíváme.
Kromě řízení chování pramenů platí Hookeův zákon také v mnoha dalších situacích, kdy je elastické tělo deformováno. Mezi ně může patřit vše od nafouknutí balónu a tahání gumového pásku po měření množství síly větru, které je potřeba k vytvoření vysokého ohybu budovy a kývání.
Tento zákon má mnoho důležitých praktických aplikací, z nichž jedním je vytvoření vyrovnávacího kolečka, které umožnilo vytvoření mechanických hodin, přenosného hodinky, pružinové stupnice a manometru (aka. Manometr). Také proto, že se jedná o těsnou aproximaci všech pevných těl (pokud jsou deformační síly dostatečně malé), zavázala Hooke za to, že přišel s tímto zákonem, také četná odvětví vědy a techniky. Patří sem disciplíny seismologie, molekulární mechanika a akustika.
Stejně jako většina klasických mechaniků však Hookeův zákon funguje pouze v omezeném referenčním rámci. Protože žádný materiál nemůže být stlačen za určitou minimální velikost (nebo natažený za maximální velikost) bez nějaké trvalé deformace nebo změny stavu, platí pouze tehdy, pokud se jedná o omezené množství síly nebo deformace. Ve skutečnosti se mnoho materiálů znatelně odchýlí od Hookova zákona ještě před dosažením těchto elastických mezí.
Přesto je Hookeův zákon ve své obecné podobě slučitelný s Newtonovými zákony statické rovnováhy. Společně umožňují odvodit vztah mezi napětím a stresem u složitých předmětů z hlediska vnitřních materiálů vlastností, z nichž je vyroben. Lze například odvodit, že homogenní tyč s rovnoměrným průřezem se bude při natahování chovat jako jednoduchá pružina s tuhostí (k) přímo úměrná ploše průřezu a nepřímo úměrná délce.
Další zajímavou věcí na Hookeově právu je to, že je dokonalým příkladem prvního zákona o termodynamice. Jakákoli pružina při stlačení nebo prodloužení téměř dokonale šetří energii, která na ni působí. Jediná ztráta energie je způsobena přirozeným třením.
Navíc Hookeův zákon v sobě obsahuje vlnovitou periodickou funkci. Pružina uvolněná z deformované polohy se v periodické funkci opakovaně vrací do své původní polohy s proporcionální silou. Lze také pozorovat a vypočítat vlnovou délku a frekvenci pohybu.
Moderní teorie pružnosti je generalizovanou variací Hookova zákona, která uvádí, že deformace / deformace elastického předmětu nebo materiálu je úměrná napětí, které na něj působí. Protože však obecná napětí a kmeny mohou mít více nezávislých složek, „faktor proporcionality“ už nemusí být jen jediné reálné číslo.
Dobrým příkladem by bylo, když se bude zabývat větrem, kde se aplikované napětí mění v intenzitě a směru. V takových případech je nejlepší použít lineární mapu (aka. Tensor), která může být reprezentována maticí reálných čísel namísto jediné hodnoty.
Pokud se vám tento článek líbil, existuje několik dalších, které se vám budou líbit v časopisu Space Magazine. Zde je jeden o příspěvcích Sira Isaaca Newtona do mnoha vědních oborů. Zde je zajímavý článek o gravitaci.
Existuje také několik skvělých zdrojů online, jako je tato přednáška o Hookeově zákonu, kterou můžete sledovat na stránkách acadearth.org. Existuje také velké vysvětlení pružnosti na howstuffworks.com.
Další informace získáte také v epizodě 138, Quantum Mechanics od společnosti Astronomy Cast.
Zdroje:
Hyperphysics
Fyzika 24/7
