Что такое Закон Гука?

16 февраля 2015 г.

Мэтт Уильямс, Universe Today

Источник – это чудо человеческой инженерии и творчества. Во-первых, у нее очень много разновидностей — пружина сжатия, пружина растяжения, пружина кручения, винтовая пружина и т. д. — каждая из которых выполняет разные и специфические функции. Эти функции, в свою очередь, позволяют создавать множество искусственных объектов, большинство из которых возникли в результате научной революции в конце 17 и 18 веков.

Поскольку они являются упругими объектами, используемыми для хранения механической энергии, их применение обширно, что делает возможными такие вещи, как автомобильные подвесные системы, маятниковые часы, ручные ножницы, заводные игрушки, часы, крысоловки, цифровые микрозеркальные устройства и, конечно же, , Слинки.

Как и во многих других устройствах, изобретенных на протяжении веков, требуется базовое понимание механики, прежде чем его можно будет широко использовать. С точки зрения пружин это означает понимание действующих законов упругости, кручения и силы, которые вместе известны как закон Гука.

Закон Гука — это принцип физики, который гласит, что сила, необходимая для растяжения или сжатия пружины на некоторое расстояние, пропорциональна этому расстоянию. Закон назван в честь британского физика 17 века Роберта Гука, который стремился продемонстрировать связь между силами, приложенными к пружине, и ее упругостью. Впервые он сформулировал закон в 1660 году в виде латинской анаграммы, а затем опубликовал решение в 1678 году как ut tensio, sic vis, что в переводе означает «как расширение, так и сила» или «протяженность пропорциональна силе»). .

Математически это можно выразить как F = -kX, где F — сила, приложенная к пружине (в форме деформации или напряжения); X — смещение пружины, отрицательное значение которого указывает на смещение пружины после ее растяжения; а k — жесткость пружины и детали, насколько она жесткая.

Закон Гука — первый классический пример объяснения упругости — свойства объекта или материала, которое заставляет его восстанавливать первоначальную форму после деформации. Эту способность возвращаться к нормальной форме после возникновения искажения можно назвать «восстанавливающей силой». Понимаемая с точки зрения закона Гука, эта восстанавливающая сила обычно пропорциональна величине испытываемого «растяжения».

Помимо регулирования поведения пружин, закон Гука также применяется во многих других ситуациях, когда упругое тело деформируется. Они могут включать в себя что угодно: от надувания воздушного шара и натягивания резиновой ленты до измерения силы ветра, необходимой для того, чтобы высокое здание изгибалось и раскачивалось.

Этот закон имел множество важных практических применений, одним из которых было создание балансового колеса, которое сделало возможным создание механических часов, портативных часов, пружинных весов и манометра (также известного как манометр). Кроме того, поскольку это близкое приближение ко всем твердым телам (пока силы деформации достаточно малы), многие отрасли науки и техники также обязаны Гуку открытием этого закона. К ним относятся дисциплины сейсмологии, молекулярной механики и акустики.

Однако, как и большинство классической механики, закон Гука работает только в ограниченной системе отсчета. Поскольку ни один материал не может быть сжат сверх определенного минимального размера (или растянут сверх максимального размера) без какой-либо остаточной деформации или изменения состояния, это применимо только до тех пор, пока задействовано ограниченное количество силы или деформации. Фактически, многие материалы будут заметно отклоняться от закона Гука задолго до того, как будут достигнуты эти пределы упругости.

Тем не менее, в своей общей форме закон Гука совместим с законами статического равновесия Ньютона. Вместе они позволяют вывести взаимосвязь между деформацией и напряжением для сложных объектов с точки зрения свойств материалов, из которых они изготовлены. Например, можно сделать вывод, что однородный стержень с однородным поперечным сечением при растяжении будет вести себя как простая пружина, жесткость которого (k) прямо пропорциональна площади его поперечного сечения и обратно пропорциональна его длине.