Pomlad je čudež človeškega inženiringa in ustvarjalnosti. Te funkcije omogočajo ustvarjanje številnih umetnih predmetov, od katerih je večina nastala kot del znanstvene revolucije v poznih 17. in 18. stoletju.
Kot elastičen predmet, ki se uporablja za shranjevanje mehanske energije, so aplikacije zanje obsežne in omogočajo takšne stvari, kot so avtomobilski sistem vzmetenja, nihala, ročne nastavke, igrače za navijanje, ure, pasti za podgane, digitalne mikromirror naprave in seveda , Slinky.
Kot toliko drugih naprav, ki so jih skozi stoletja izumili, je tudi pred tako široko uporabo potrebno razumevanje mehanike. Kar zadeva vzmeti, to pomeni razumevanje zakonov elastičnosti, torzije in sile, ki prihajajo v poštev - ki so skupaj znani kot Hookeov zakon.
Hookeov zakon je fizikalno načelo, ki pravi, da je sila, ki je potrebna za podaljšanje ali stiskanje vzmeti za nekaj razdalje, sorazmerna tej razdalji. Zakon je poimenovan po britanskem fiziku iz 17. stoletja Robertu Hookeu, ki je poskušal prikazati razmerje med silami, ki se nanašajo na vzmet, in njeno elastičnostjo.
Zakon je prvič navedel leta 1660 kot latinski anagram, nato pa je rešitev objavil leta 1678 kot ut tenio, sic vis - kar v prevodu pomeni "kot podaljšek, tako da je sila" ali "razširitev sorazmerna s silo").
To lahko izrazimo matematično kot F = -kX, kje F je sila, ki deluje na vzmet (bodisi v obliki napetosti ali napetosti); X premik vzmeti z negativno vrednostjo, ki kaže, da je premik vzmeti, ko se raztegne; in k je konstantna vzmet in podrobno opisuje, kako trd je.
Hookeov zakon je prvi klasični primer razlage elastičnosti - ki je lastnost predmeta ali materiala, zaradi katerega se po popačenju povrne v prvotno obliko. Ta sposobnost, da se po izkrivljanju vrne v normalno obliko, se lahko imenuje "obnovitvena sila". Če ga razumemo v smislu Hookeovega zakona, je ta obnovitvena sila na splošno sorazmerna s količino izkušenj.
Pravilnik Hookea poleg urejanja obnašanja vzmeti velja tudi v mnogih drugih situacijah, ko je elastično telo deformirano. Ti lahko vključujejo karkoli, od napihnjenosti balona in vlečenja gumijastega traku do merjenja količine sile vetra, ki je potrebna za zavoj in zasuk visokega stavbe.
Ta zakon je imel številne pomembne praktične uporabe, ena izmed njih je bila izdelava ravnotežnega kolesa, ki je omogočilo izdelavo mehanske ure, prenosnega ura, vzmetne skale in manometra (aka merilnik tlaka). Tudi zato, ker gre za približek vseh trdnih teles (dokler so sile deformacije dovolj majhne), so številne veje znanosti in inženiringa prav tako zadolžene Hookeu, da je sprejel ta zakon. Sem spadajo vede seizmologije, molekularne mehanike in akustike.
Vendar, kot večina klasične mehanike, tudi Hookeov zakon deluje le v omejenem okviru. Ker nobenega materiala ni mogoče stisniti nad določeno najmanjšo velikost (ali raztegniti nad največjo velikost) brez trajne deformacije ali spremembe stanja, velja le toliko časa, če gre za omejeno količino sile ali deformacije. Pravzaprav bo veliko materialov opazno odstopalo od Hookeovega zakona, še preden bodo te elastične meje dosežene.
Kljub temu pa je Hookejev zakon združljiv z Newtonovimi zakoni statičnega ravnotežja. Skupaj omogočajo sklepanje razmerja med napetostjo in napetostjo za zapletene predmete glede na lastne materiale lastnosti, iz katerih so izdelani. Lahko na primer sklepamo, da se bo homogena palica z enakomernim prerezom ob raztezanju ob trdosti obnašala kot preprosta vzmet (k) neposredno sorazmerna s površino svojega preseka in obratno sorazmerna z njegovo dolžino.
Še ena zanimivost Hookeovega zakona je, da je popoln primer prvega zakona termodinamike. Vsaka pomlad, ko jo stisnemo ali podaljšamo, skoraj popolnoma ohranja energijo, ki ji pripada. Edina izgubljena energija je posledica naravnega trenja.
Poleg tega zakon Hooke vsebuje v sebi periodično funkcijo v obliki vala. Vzmet, ki se sprosti iz deformiranega položaja, se bo v periodični funkciji večkrat vrnila v prvotni položaj s sorazmerno silo. Valovno dolžino in frekvenco gibanja lahko tudi opazujemo in izračunamo.
Sodobna teorija elastičnosti je posplošena različica Hookeovega zakona, ki pravi, da je naprezanje / deformacija elastičnega predmeta ali materiala sorazmerna s stresom, ki se mu nalaga. Ker pa lahko splošne napetosti in napetosti vsebujejo več neodvisnih komponent, "faktor sorazmernosti" ne sme biti več samo eno realno število.
Dober primer tega bi bilo, ko se ukvarjamo z vetrom, kjer se uporabljeni stres razlikuje po intenzivnosti in smeri. V takih primerih je najbolje uporabiti linearno karto (aka tenzor), ki jo je mogoče predstaviti z matrico realnih števil namesto ene same vrednosti.
Če ste v tem članku uživali, boste v Space Magazinu uživali še nekaj drugih. Tu je nekaj o prispevkih sir Isaaca Newtona na številnih znanstvenih področjih. Tukaj je zanimiv članek o gravitaciji.
Na spletu je tudi nekaj odličnih virov, kot je to predavanje o Hookejevem zakonu, ki si ga lahko ogledate na academicearth.org. Obstaja tudi velika razlaga o elastičnosti na spletnem mestu howstuffworks.com.
Za več informacij lahko prisluhnete tudi Epizodi 138, Kvantna mehanika iz Astronomy Cast-a.
Viri:
Hiperfizika
Fizika 24/7
