Kevät on ihme ihmisen suunnittelusta ja luovuudesta. Nämä toiminnot puolestaan mahdollistavat monien ihmisen luomien esineiden luomisen, joista suurin osa syntyi osana tieteellistä vallankumousta 17.-18. Vuosisadan lopulla.
Mekaanisen energian varastoimiseksi käytetynä elastisena esineenä sovelluksia niille on laaja, ja ne tekevät mahdolliseksi esimerkiksi autojen jousitusjärjestelmät, heilurin kellot, käsisirot, tuuletuslelut, kellot, rottalukot, digitaaliset mikrotulppulaitteet ja tietysti , Slinky.
Kuten monet muutkin vuosisatojen ajan keksineet laitteet, mekaniikan perusteet on ymmärrettävä, ennen kuin niitä voidaan käyttää niin laajasti. Jousien suhteen tämä tarkoittaa peliin tulevien joustavuus-, vääntö- ja voimalakien ymmärtämistä - jotka yhdessä tunnetaan nimellä Hooken laki.
Hooken laki on fysiikan periaate, jonka mukaan voima, joka tarvitaan jousen pidentämiseen tai puristamiseen jonkin matkan verran, on verrannollinen siihen etäisyyteen. Laki on nimetty 1700-luvun brittiläisen fyysikon Robert Hooken mukaan, joka yritti osoittaa jouselle kohdistettujen voimien ja joustavuuden välisen suhteen.
Ensin hän julisti lain vuonna 1660 latinalaisena anagrammina ja julkaisi sitten ratkaisun vuonna 1678 nimellä ut tensio, sic vis - joka käännetty tarkoittaa "jatkeena, joten voima" tai "jatke on verrannollinen voimaan").
Tämä voidaan ilmaista matemaattisesti F = -kX, missä F on jouselle kohdistettu voima (joko jännityksen tai jännityksen muodossa); X on jousen siirtymä negatiivisella arvolla, joka osoittaa, että jousen siirtymä sen jälkeen kun se on venytetty; ja K on jousvakio ja yksityiskohdat kuinka jäykkä se on.
Hooken laki on ensimmäinen klassinen esimerkki joustavuuden selityksestä - joka on esineen tai materiaalin ominaisuus, joka saa sen palautumaan alkuperäiseen muotoonsa vääristymisen jälkeen. Tätä kykyä palata normaaliin muotoon vääristymisen jälkeen voidaan kutsua ”palauttavaksi voimaksi”. Hooken lain mukaan tämä palauttava voima on yleensä verrannollinen koettuun ”venytyksen” määrään.
Jousien käyttäytymisen hallinnan lisäksi Hooken lakia sovelletaan myös monissa muissa tilanteissa, joissa joustava runko on muodonmuutos. Niihin voi kuulua mitä tahansa ilmapallojen paisuttamisesta ja kuminauhan vetämisestä tuulivoiman määrän mittaamiseen, jotta rakennus olisi korkea taivutettava ja kallistuva.
Tällä lailla on ollut monia tärkeitä käytännön sovelluksia, joista yksi on tasapainotuspyörän luominen, joka mahdollisti mekaanisen kellon, kannettavan kellon, jousen asteikon ja manometrin (alias. Painemittari) luomisen. Lisäksi, koska se on lähellä kaikkia kiinteitä kappaleita (niin kauan kuin muodonmuutosvoimat ovat riittävän pienet), lukuisat tieteen ja tekniikan alat ovat myös Hookelle velkaa tämän lain laatimisesta. Niihin kuuluvat seismologian, molekyylimekaniikan ja akustiikan tieteet.
Kuten useimmatkin klassiset mekaniikat, Hooken laki toimii kuitenkin vain rajoitetussa viitekehyksessä. Koska yhtäkään materiaalia ei voida puristaa tietyn minimikokon yli (tai venyttää maksimikokoa suuremmaksi) ilman pysyviä muodonmuutoksia tai tilanmuutoksia, sitä sovelletaan vain niin kauan kuin siihen liittyy rajoitettu määrä voimaa tai muodonmuutosta. Itse asiassa monet materiaalit poikkeavat huomattavasti Hooken laista hyvissä ajoin ennen kuin nämä joustavat rajat saavutetaan.
Silti Hooken laki on yleisessä muodossaan yhteensopiva Newtonin staattisen tasapainon lakien kanssa. Yhdessä ne tekevät mahdolliseksi päätellä monimutkaisten esineiden jännityksen ja stressin välinen suhde sen ominaispiirteiden perusteella, joista se on tehty. Esimerkiksi voidaan päätellä, että homogeeninen sauva, jolla on tasainen poikkileikkaus, käyttäytyy kuin yksinkertainen jousi venyttäessä, jäykkyydellä (K) on suoraan verrannollinen sen poikkileikkausalaan ja käänteisesti verrannollinen sen pituuteen.
Toinen mielenkiintoinen asia Hooken laissa on, että se on täydellinen esimerkki ensimmäisestä termodynamiikan laista. Jokainen puristettu tai jatkettu jousi säästää lähes täydellisesti siihen käytettyä energiaa. Ainoa menetetty energia johtuu luonnollisesta kitasta.
Lisäksi Hooken laki sisältää siinä aaltomaisen jaksollisen funktion. Muodostuneesta asennosta vapautettu jousi palaa alkuperäiseen asentoonsa suhteellisella voimalla toistuvasti jaksollisessa toiminnassa. Liikkeen aallonpituus ja taajuus voidaan myös tarkkailla ja laskea.
Nykyaikainen joustavuusteoria on Hooken lain yleinen muunnelma, jonka mukaan kimmoisan esineen tai materiaalin venymä / muodonmuutos on verrannollinen siihen kohdistuvaan rasitukseen. Koska yleisissä jännityksissä ja jännityksissä voi kuitenkin olla useita riippumattomia komponentteja, "suhteellisuuskerroin" ei ehkä enää ole vain yksi reaaliluku.
Hyvä esimerkki tästä olisi käsiteltäessä tuulta, jossa kohdistuvan rasituksen voimakkuus ja suunta vaihtelevat. Tällaisissa tapauksissa on parasta käyttää lineaarista karttaa (alias tensori), joka voidaan esittää reaalilukujen matriisilla yhden arvon sijasta.
Jos nautit tästä artikkelista, on useita muitakin, joista nautit Space Magazine -lehdessä. Tässä on yksi Sir Isaac Newtonin panoksista monille tieteen aloille. Tässä on mielenkiintoinen artikkeli painovoimasta.
Verkossa on myös hienoja resursseja, kuten tämä Hooken lakia käsittelevä luento, jota voit katsella osoitteessa academicearth.org. Howstuffworks.com-sivustossa on myös hieno selitys joustavuudesta.
Voit myös kuunnella Astronomy Cast -juttujen jaksoa 138, Quantum Mechanics.
Lähteet:
Hyperphysics
Fysiikka 24/7
