A tavasz csodálja az emberi mérnököt és a kreativitást. Ezek a funkciók viszont lehetővé teszik sok ember által létrehozott tárgy létrehozását, amelyek nagy része a tudományos forradalom részeként merült fel a 17. és 18. század végén.
A mechanikus energia tárolására szolgáló rugalmas tárgyként széles körű alkalmazásuk van, és lehetővé teszik például autóipari felfüggesztési rendszereket, ingaórákat, kézi takarókat, feltekerő játékokat, órákat, patkánycsapdákat, digitális mikrotükör eszközöket, és természetesen , a Slinky.
Mint sok más, az évszázadok során feltalált eszközhez, a mechanika alapvető ismerete szükséges, mielőtt az ilyen széles körben alkalmazható lenne. A rugók vonatkozásában ez azt jelenti, hogy megértjük a rugalmasság, torzió és erő törvényeit - amelyek együttesen Hooke törvényeként ismertek.
A Hooke-törvény a fizika alapelve, amely kimondja, hogy az a erő, amely a rugó valamilyen távolságú meghosszabbításához vagy összenyomásához szükséges, arányos azzal a távolsággal. A törvény elnevezése a 17. századi brit fizikus, Robert Hooke, aki a rugóra kifejtett erők és a rugó rugalmasságának kapcsolatát kívánta bemutatni.
Először 1660-ban fogalmazta meg a törvényt latin anagrammként, majd 1678-ban tette közzé a megoldást ut tensio, sic vis - ami fordítva azt jelenti, hogy „kiterjesztés, tehát az erő” vagy „a kiterjesztés arányos az erővel”).
Ez matematikailag kifejezhető F = -kX, ahol F a rugóra kifejtett erő (akár feszültség, akár feszültség formájában); x a rugó elmozdulása, negatív értékkel, amely azt mutatja, hogy a rugó elmozdulása után azt megfeszítették; és k a rugóállandó, és részletezi, milyen merev ez.
Hooke törvénye a rugalmasság magyarázatának első klasszikus példája - ez egy tárgy vagy anyag tulajdonsága, amely miatt a torzítás után visszaáll az eredeti formájába. Az a képesség, hogy a torzulás után visszatérjen a normál alakra, „helyreállító erőnek” nevezhető. A Hooke törvény értelmében ez a helyreállító erő általában arányos a tapasztalt „nyújtás” mennyiségével.
A rugók viselkedésének szabályozása mellett a Hooke-törvény számos más helyzetben is alkalmazandó, amikor a rugalmas test deformálódott. Ezek magukban foglalhatják a ballon felfújását és egy gumiszalag felhúzásától a szél erősségének méréséig, hogy magas épület hajlítson és megforduljon.
Ennek a törvénynek számos fontos gyakorlati alkalmazása van, az egyik egy egyensúlyi kerék létrehozása, amely lehetővé tette a mechanikus óra, a hordozható időmérő elem, a rugós méretarány és a manométer (más néven a nyomásmérő) létrehozását. Továbbá, mivel ez minden szilárd test szoros közelítése (mindaddig, amíg a deformációs erők elég kicsik), számos tudományos és műszaki ág is tartozott Hooke számára, hogy előadja ezt a törvényt. Ezek magukban foglalják a szeizmológia, a molekuláris mechanika és az akusztika tudományágait.
Ugyanakkor, mint a legtöbb klasszikus mechanika, a Hooke's Law csak korlátozott referenciakeretben működik. Mivel egyetlen anyag nem tömöríthető egy bizonyos minimális méreten túl (vagy nem nyújtható meg a maximális méreten) valamilyen állandó deformáció vagy állapotváltozás nélkül, csak akkor alkalmazható, ha korlátozott mennyiségű erő vagy deformáció jár. Valójában sok anyag észrevehetően eltér a Hooke törvényétől, még mielőtt elérnék ezeket a rugalmas korlátokat.
Ennek ellenére a Hooke-törvény általános formájában összeegyeztethető a Newton statikus egyensúlyi törvényeivel. Ezek együttesen lehetővé teszik az összetett tárgyak feszültségének és stresszének viszonyainak levezetését a tulajdonságaik belső tulajdonságai alapján. Például arra lehet következtetni, hogy az egyenletes keresztmetszetű homogén rudak nyújtva, merevséggel viselkednek, mint egy egyszerű rugó (k) közvetlenül arányos a keresztmetszetével és fordítva arányos a hosszával.
Egy másik érdekes dolog Hooke törvényében az, hogy ez tökéletes példája az első termodinamikai törvénynek. Bármely rugó, amikor összenyomják vagy meghosszabbítják, szinte tökéletesen megtakarítja a rá alkalmazott energiát. Az egyetlen elvesztett energia a természetes súrlódás miatt következik be.
Ezenkívül Hooke törvénye tartalmaz egy hullámszerű periodikus függvényt. A deformált helyzetből kioldott rugó periodikusan ismételten arányos erővel visszatér eredeti helyzetébe. A mozgás hullámhossza és gyakorisága szintén megfigyelhető és kiszámítható.
A rugalmasság modern elmélete Hooke törvényének általánosított variációja, amely kimondja, hogy egy elasztikus tárgy vagy anyag deformációja / deformációja arányos a rá kifejtett stressztel. Mivel azonban az általános feszültségek és feszültségek több független komponenssel is rendelkezhetnek, az „arányossági tényező” már nem lehet egyetlen valós szám.
Jó példa erre a szél kezelése, ahol az alkalmazott stressz intenzitása és iránya változik. Ilyen esetekben a legjobb, ha egy lineáris térképet (más néven tenzort) használunk, amelyet egyetlen érték helyett valós számok mátrixával lehet ábrázolni.
Ha élvezte ezt a cikket, számos más is élvezheti a Space Magazine-t. Itt van egy Sir Isaac Newton hozzájárulásáról a tudomány sok területéhez. Itt van egy érdekes cikk a gravitációról.
Vannak olyan nagyszerű források is online, mint például a Hooke törvényről szóló előadás, amelyet meg lehet nézni a Academicearth.org oldalon. A rugalmasság nagyszerű magyarázata is található a howstuffworks.com webhelyen.
További információt a 138-as epizód, a Csillagászat szereplőinek kvantummechanikája is meghallgathat.
Forrás:
Hyperphysics
Fizika 24/7
