Η άνοιξη είναι ένα θαύμα της ανθρώπινης μηχανικής και της δημιουργικότητας. Αυτές οι λειτουργίες με τη σειρά τους επιτρέπουν τη δημιουργία πολλών τεχνητών αντικειμένων, τα περισσότερα από τα οποία εμφανίστηκαν ως μέρος της Επιστημονικής Επανάστασης κατά τα τέλη του 17ου και του 18ου αιώνα.
Ως ελαστικό αντικείμενο που χρησιμοποιείται για την αποθήκευση της μηχανικής ενέργειας, οι εφαρμογές για αυτές είναι εκτεταμένες, καθιστώντας δυνατή τέτοια πράγματα όπως συστήματα ανάρτησης αυτοκινήτων, ρολόγια εκκρεμούς, παπούτσια χεριών, παιχνίδια εκκαθάρισης, ρολόγια, παγίδες αρουραίων, ψηφιακές συσκευές μικρο-καθρέφτη και φυσικά , το Slinky.
Όπως πολλές άλλες συσκευές που εφευρέθηκαν κατά τη διάρκεια των αιώνων, απαιτείται βασική κατανόηση της μηχανικής προτού χρησιμοποιηθεί τόσο ευρέως. Όσον αφορά τα ελατήρια, αυτό σημαίνει κατανόηση των νόμων της ελαστικότητας, της στρέψης και της δύναμης που μπαίνουν στο παιχνίδι - οι οποίοι είναι όλοι γνωστοί ως νόμος του Hooke.
Ο νόμος του Hooke είναι μια αρχή της φυσικής που δηλώνει ότι η δύναμη που απαιτείται για την επέκταση ή τη συμπίεση ενός ελατηρίου σε κάποια απόσταση είναι ανάλογη με αυτήν την απόσταση. Ο νόμος πήρε το όνομά του από τον Βρετανό φυσικό του 17ου αιώνα Ρόμπερτ Χούκε, ο οποίος προσπάθησε να αποδείξει τη σχέση μεταξύ των δυνάμεων που εφαρμόστηκαν σε μια πηγή και της ελαστικότητάς της.
Δηλώνει για πρώτη φορά το νόμο το 1660 ως λατινικό anagram, και στη συνέχεια δημοσίευσε τη λύση το 1678 ως ut tensio, sic vis - που μεταφράζεται, σημαίνει «ως επέκταση, έτσι η δύναμη» ή «η επέκταση είναι ανάλογη με τη δύναμη»).
Αυτό μπορεί να εκφραστεί μαθηματικά ως F = -kX, όπου φά είναι η δύναμη που ασκείται στο ελατήριο (είτε με τη μορφή πίεσης ή τάσης) · Χ είναι η μετατόπιση του ελατηρίου, με αρνητική τιμή που δείχνει ότι η μετατόπιση του ελατηρίου μόλις τεντωθεί · και κ είναι η σταθερά ελατηρίου και λεπτομέρειες πόσο άκαμπτο είναι.
Ο νόμος του Hooke είναι το πρώτο κλασικό παράδειγμα μιας εξήγησης της ελαστικότητας - που είναι η ιδιότητα ενός αντικειμένου ή υλικού που το αναγκάζει να αποκατασταθεί στο αρχικό του σχήμα μετά από παραμόρφωση. Αυτή η ικανότητα επιστροφής σε φυσιολογικό σχήμα μετά από παραμόρφωση μπορεί να αναφέρεται ως «δύναμη αποκατάστασης». Κατανοημένη από την άποψη του Νόμου του Hooke, αυτή η δύναμη αποκατάστασης είναι γενικά ανάλογη με την ποσότητα του "stretch".
Εκτός από τη ρύθμιση της συμπεριφοράς των ελατηρίων, ο νόμος του Hooke εφαρμόζεται επίσης σε πολλές άλλες καταστάσεις όπου ένα ελαστικό σώμα παραμορφώνεται. Αυτά μπορεί να περιλαμβάνουν οτιδήποτε, από το φούσκωμα ενός μπαλονιού και το τράβηγμα μιας λαστιχένιας ταινίας έως τη μέτρηση του ποσού της αιολικής δύναμης που απαιτείται για να γίνει μια ψηλή καμπύλη και ταλάντωση του κτιρίου.
Αυτός ο νόμος είχε πολλές σημαντικές πρακτικές εφαρμογές, με μία τη δημιουργία τροχού ισορροπίας, η οποία κατέστησε δυνατή τη δημιουργία του μηχανικού ρολογιού, του φορητού ρολογιού, της κλίμακας ελατηρίου και του μανόμετρου (γνωστός και ως το μανόμετρο). Επίσης, επειδή είναι μια στενή προσέγγιση όλων των στερεών σωμάτων (αρκεί οι δυνάμεις παραμόρφωσης να είναι αρκετά μικρές), πολλοί κλάδοι της επιστήμης και της μηχανικής, όπως επίσης χρεώθηκαν στον Hooke για την επινόηση αυτού του νόμου. Αυτές περιλαμβάνουν τους κλάδους της σεισμολογίας, της μοριακής μηχανικής και της ακουστικής.
Ωστόσο, όπως και οι περισσότεροι κλασικοί μηχανικοί, ο νόμος του Hooke λειτουργεί μόνο σε περιορισμένο πλαίσιο αναφοράς. Επειδή κανένα υλικό δεν μπορεί να συμπιεστεί πέρα από ένα ορισμένο ελάχιστο μέγεθος (ή να τεντωθεί πέρα από ένα μέγιστο μέγεθος) χωρίς κάποια μόνιμη παραμόρφωση ή αλλαγή κατάστασης, εφαρμόζεται μόνο εφόσον υπάρχει περιορισμένη ποσότητα δύναμης ή παραμόρφωσης. Στην πραγματικότητα, πολλά υλικά θα παρεκκλίνουν αισθητά από το νόμο του Hooke πολύ πριν φτάσουν αυτά τα ελαστικά όρια.
Ωστόσο, στη γενική του μορφή, ο νόμος του Hooke είναι συμβατός με τους νόμους της στατικής ισορροπίας του Newton. Μαζί, καθιστούν δυνατή τη σύναψη της σχέσης μεταξύ πίεσης και πίεσης για σύνθετα αντικείμενα από την άποψη των εγγενών υλικών των ιδιοτήτων από τις οποίες κατασκευάζεται. Για παράδειγμα, μπορεί κανείς να συμπεράνει ότι μια ομοιογενής ράβδος με ομοιόμορφη διατομή θα συμπεριφέρεται σαν ένα απλό ελατήριο όταν τεντώνεται, με ακαμψία (κ) ευθέως ανάλογο προς την περιοχή διατομής του και αντίστροφα ανάλογο με το μήκος του.
Ένα άλλο ενδιαφέρον πράγμα για το νόμο του Hooke είναι ότι είναι ένα τέλειο παράδειγμα του πρώτου νόμου της θερμοδυναμικής. Κάθε ελατήριο όταν συμπιέζεται ή εκτείνεται σχεδόν εξοικονομεί την ενέργεια που εφαρμόζεται σε αυτό. Η μόνη χαμένη ενέργεια οφείλεται στη φυσική τριβή.
Επιπλέον, ο νόμος του Hooke περιέχει μέσα του μια κυματοειδή περιοδική συνάρτηση. Ένα ελατήριο που απελευθερώνεται από μια παραμορφωμένη θέση θα επιστρέψει στην αρχική του θέση με αναλογική δύναμη επανειλημμένα σε μια περιοδική λειτουργία. Το μήκος κύματος και η συχνότητα της κίνησης μπορούν επίσης να παρατηρηθούν και να υπολογιστούν.
Η σύγχρονη θεωρία της ελαστικότητας είναι μια γενικευμένη παραλλαγή του νόμου του Hooke, η οποία αναφέρει ότι η τάση / παραμόρφωση ενός ελαστικού αντικειμένου ή υλικού είναι ανάλογη με την πίεση που ασκείται σε αυτό. Ωστόσο, δεδομένου ότι οι γενικές πιέσεις και οι πιέσεις μπορεί να έχουν πολλαπλά ανεξάρτητα συστατικά, ο «συντελεστής αναλογικότητας» μπορεί να μην είναι πλέον μόνο ένας πραγματικός αριθμός.
Ένα καλό παράδειγμα αυτού θα ήταν όταν ασχολείστε με τον άνεμο, όπου η πίεση που ασκείται ποικίλλει σε ένταση και κατεύθυνση. Σε τέτοιες περιπτώσεις, είναι καλύτερο να χρησιμοποιήσετε έναν γραμμικό χάρτη (γνωστός και ως έναν τανυστή) που μπορεί να αναπαρασταθεί από έναν πίνακα πραγματικών αριθμών αντί για μία μόνο τιμή.
Αν σας άρεσε αυτό το άρθρο υπάρχουν πολλά άλλα που θα απολαύσετε στο Space Magazine. Εδώ είναι ένα για τις συνεισφορές του Sir Isaac Newton στους πολλούς τομείς της επιστήμης. Εδώ είναι ένα ενδιαφέρον άρθρο για τη βαρύτητα.
Υπάρχουν επίσης μερικοί εξαιρετικοί πόροι στο διαδίκτυο, όπως αυτή η διάλεξη για το Hooke's Law που μπορείτε να παρακολουθήσετε στο academicearth.org. Υπάρχει επίσης μια μεγάλη εξήγηση της ελαστικότητας στο howstuffworks.com.
Μπορείτε επίσης να ακούσετε το επεισόδιο 138, Quantum Mechanics από το Astronomy Cast για περισσότερες πληροφορίες.
Πηγές:
Υπερφυσική
Φυσική 24/7
