Pavasaris ir cilvēka tehnikas un radošuma brīnums. Šīs funkcijas savukārt ļauj radīt daudzus cilvēku radītus objektus, no kuriem lielākā daļa radās zinātniskās revolūcijas laikā 17. un 18. gadsimta beigās.
Kā elastīgs priekšmets, ko izmanto mehāniskās enerģijas uzkrāšanai, to lietojumi ir plaši, padarot iespējamas tādas lietas kā automobiļu balstiekārtas, svārsta pulksteņi, rokas nobīdes, vēja rotaļlietas, pulksteņi, žurku slazdi, digitālās mikromirkļu ierīces un, protams, , Slinky.
Tāpat kā daudzas citas gadsimtu gaitā izgudrotas ierīces, pirms tās var tik plaši izmantot, ir nepieciešama pamatzināšanas par mehāniku. Atsperu izteiksmē tas nozīmē izpratni par spēkā esošajiem elastības, vērpes un spēka likumiem - tos kopā dēvē par Hūka likumu.
Hūka likums ir fizikas princips, kas nosaka, ka spēks, kas vajadzīgs, lai atsperu pagarinātu vai saspiestu ar noteiktu attālumu, ir proporcionāls šim attālumam. Likums ir nosaukts 17. gadsimta britu fiziķa Roberta Hūka vārdā, kurš centās parādīt saistību starp atsperim pieliktajiem spēkiem un tā elastību.
Viņš vispirms likumu pasludināja 1660. gadā kā latīņu anagrammu un pēc tam 1678. gadā publicēja risinājumu kā ut tensio, sic vis - kas tulko, nozīmē “kā pagarinājumu, tātad spēku” vai “pagarinājums ir proporcionāls spēkam”).
To matemātiski var izteikt kā F = -kX, kur F ir atsperim pieliktais spēks (spriedzes vai sprieguma formā); X ir atsperes pārvietojums ar negatīvu vērtību, kas parāda, ka atsperes nobīde, tiklīdz tā ir izstiepta; un k ir pavasara konstante un detalizē, cik stīvs tas ir.
Hūka likums ir pirmais klasiskais elastības skaidrojuma piemērs - tas ir objekta vai materiāla īpašums, kura dēļ pēc kropļojumiem tas tiek atjaunots sākotnējā formā. Šo spēju pēc izkropļojuma atgriezties normālā formā var saukt par “atjaunojošu spēku”. Saprotot Hooke likumu, šis atjaunojošais spēks parasti ir proporcionāls piedzīvotā “stiepšanās” apjomam.
Papildus atsperu izturēšanās regulēšanai Hūka likums tiek piemērots arī daudzās citās situācijās, kad elastīgais ķermenis ir deformēts. Tie var ietvert jebko, sākot no gaisa balona piepūšanas un gumijas joslas pievilkšanas līdz vēja stipruma mērīšanai, kas nepieciešama, lai veiktu garu ēkas saliekumu un šūpošanos.
Šim likumam ir daudz svarīgu praktisku pielietojumu, viens no tiem ir līdzsvara riteņa izveidošana, kas ļāva izveidot mehānisko pulksteni, portatīvo pulksteni, atsperes mērogu un manometru (sauktu arī par manometru). Tā kā tas ir tuvu visu cieto ķermeņu tuvinājums (ja vien deformācijas spēki ir pietiekami mazi), daudzas zinātnes un inženierzinātnes nozares, kā arī ir parādā Hūkam par šī likuma noformēšanu. Tie ietver seismoloģijas, molekulārās mehānikas un akustikas disciplīnas.
Tomēr, tāpat kā lielākajā daļā klasiskās mehānikas, Hooke's Law darbojas tikai ierobežotā atskaites ietvarā. Tā kā nevienu materiālu nevar saspiest, pārsniedzot noteiktu minimālo izmēru (vai izstiepties virs maksimālā lieluma), bez zināmām pastāvīgām deformācijām vai stāvokļa maiņas, tas tiek piemērots tikai tik ilgi, kamēr tiek iesaistīts ierobežots spēka vai deformācijas daudzums. Patiesībā, daudzi materiāli ievērojami novirzīsies no Hūka likuma jau labu laiku pirms šo elastīgo robežu sasniegšanas.
Tomēr Hooke's likums vispārējā formā ir savienojams ar Ņūtona statiskā līdzsvara likumiem. Kopā tie ļauj secināt saikni starp deformāciju un stresu sarežģītiem objektiem attiecībā uz raksturīgajiem materiāliem, no kuriem tas ir izgatavots. Piemēram, var secināt, ka viendabīgs stienis ar vienmērīgu šķērsgriezumu izturējoties izturēsies kā vienkāršs atspere, ar stīvumu (k) ir tieši proporcionāls tā šķērsgriezuma laukumam un apgriezti proporcionāls tā garumam.
Vēl viena interesanta Hooke likuma lieta ir tā, ka tas ir perfekts pirmā termodinamikas likuma piemērs. Jebkurš atspere, kad tas ir saspiests vai izstiepts, gandrīz lieliski saglabā uz to pielietoto enerģiju. Vienīgā zaudētā enerģija rodas dabiskās berzes dēļ.
Turklāt Hooke likumos tajā ir ietverta periodiska funkcija. Atspere, kas atbrīvota no deformētas pozīcijas, periodiski atkārtoti atgriezīsies sākotnējā stāvoklī ar proporcionālu spēku. Var novērot un aprēķināt arī viļņa garumu un kustības frekvenci.
Mūsdienu elastības teorija ir vispārināta Hūka likuma variācija, kurā teikts, ka elastīga objekta vai materiāla deformācija / deformācija ir proporcionāla tam pieliktajam spriegumam. Tomēr, tā kā vispārējiem spriegumiem un deformācijām var būt vairākas neatkarīgas sastāvdaļas, “proporcionalitātes koeficients” vairs nedrīkst būt tikai viens reāls skaitlis.
Labs piemērs tam būtu, strādājot ar vēju, kur stresa intensitāte un virziens atšķiras. Tādos gadījumos kā šis, vislabāk ir izmantot lineāru karti (aka tenoru), ko vienas vērtības vietā var attēlot ar reālu skaitļu matricu.
Ja jums patika šis raksts, ir arī vairāki citi, kas jums patiks Space Magazine. Šeit ir viens par sera Īzaka Ņūtona ieguldījumu daudzās zinātnes jomās. Šeit ir interesants raksts par smagumu.
Tiešsaistē ir arī daži lieliski resursi, piemēram, šī lekcija par Hooke likumu, kuru varat noskatīties vietnē Academicearth.org. Vietnē howstuffworks.com ir arī lielisks elastības skaidrojums.
Lai iegūtu papildinformāciju, varat arī noklausīties epizodi 138, Quantum Mechanics no Astronomy Cast.
Avoti:
Hiperfizika
Fizika 24/7
