Kevad on inimese inseneriteaduse ja loovuse imestus. Need funktsioonid võimaldavad omakorda luua palju inimese loodud esemeid, millest enamik tekkis 17. ja 18. sajandi lõpul toimunud teadusliku revolutsiooni käigus.
Mehaanilise energia salvestamiseks kasutatava elastse objektina on nende jaoks laialdased rakendused, mis võimaldavad selliseid asju nagu autovedrustussüsteemid, pendelkellad, käepidemed, mähistega mänguasjad, käekellad, rotilõksud, digitaalsed mikrotõrvaseadmed ja muidugi , loid.
Nagu paljud teised sajandite jooksul leiutatud seadmed, on enne mehaanika laialdast kasutamist vajalik mehaanika põhiteadmine. Vedrude all tähendab see mängu valitsevate elastsuse, väände ja jõu seaduste mõistmist - mida koos tuntakse Hooke'i seaduse järgi.
Hooke'i seadus on füüsika põhimõte, mis väidab, et vedru mõne vahemaa pikendamiseks või kokkusurumiseks vajalik jõud on selle vahemaaga võrdeline. Seadus on nimetatud 17. sajandi Briti füüsiku Robert Hooke järgi, kes püüdis näidata vedrule rakendatavate jõudude ja selle elastsuse suhet.
Esmalt teatas ta seadusest 1660. aastal ladina anagrammina ja avaldas lahenduse 1678. aastal kujul ut tensio, sic vis - mis tõlgituna tähendab “laiendusena, seega jõud” või “laiendus on jõuga võrdeline”).
Seda saab matemaatiliselt väljendada järgmiselt: F = -kX, kus F on vedrule rakendatav jõud (kas koormuse või pinge kujul); X on vedru nihkumine, negatiivse väärtusega, mis näitab, et vedru nihkumine pärast pingutamist; ja k on vedru konstant ja täpsustab, kui jäik see on.
Hooke'i seadus on esimene klassikaline näide elastsuse selgitamisest - see on eseme või materjali omadus, mis põhjustab selle moonutamise järel selle algse kuju taastamise. Seda võimet pärast moonutuste tekkimist normaalse kuju juurde naasta võib nimetada “taastavaks jõuks”. Hooke'i seaduse mõistes on see taastav jõud üldiselt võrdeline kogetud “venituse” suurusega.
Lisaks vedrude käitumise reguleerimisele kehtib Hooke'i seadus ka paljudes teistes olukordades, kus elastne keha on deformeerunud. Need võivad hõlmata kõike, alates õhupalli täispuhumisest ja kummipaela tõmbamisest kuni tuule jõu suuruse mõõtmiseni, mis on vajalik kõrge hoone painde ja kõveruse saavutamiseks.
Sellel seadusel on olnud palju olulisi praktilisi rakendusi, millest üks on tasakaaluratta loomine, mis võimaldas luua mehaanilise kella, kaasaskantava ajanäitaja, vedruskaala ja manomeetri (aka manomeeter). Kuna tegemist on kõigi tahkete kehade lähipiirkonnaga (seni, kuni deformatsioonijõud on piisavalt väikesed), on ka arvukalt teaduse ja tehnika haru, mis on Hooke'ile võlgu ka selle seaduse väljatöötamise eest. Nende hulka kuuluvad seismoloogia, molekulaarmehaanika ja akustika erialad.
Nagu enamik klassikalisi mehaanikaid, töötab ka Hooke'i seadus ainult piiratud tugiraamistikus. Kuna ühtki materjali ei saa teatud alammõõtu ületada (või maksimaalsest suurusest üle tõmmata) ilma mingisuguse püsiva deformatsiooni või oleku muutuseta, kehtib see ainult seni, kuni sellega kaasneb piiratud kogus jõudu või deformatsiooni. Tegelikult erinevad paljud materjalid märgatavalt Hooke'i seadustest juba enne nende elastsete piiride saavutamist.
Sellegipoolest on Hooke'i seadus oma üldkujul kooskõlas Newtoni staatilise tasakaalu seadustega. Need koos võimaldavad tuletada keerukate objektide pinge ja pinge vahelist seost selle omaduste loomulike materjalide põhjal. Näiteks võib järeldada, et ühtlase ristlõikega homogeenne varras käitub venitades lihtsa ja jäikusega vedruna (k) on võrdeline selle ristlõikepindalaga ja pöördvõrdeline pikkusega.
Veel üks huvitav asi Hooke'i seaduse juures on see, et see on suurepärane näide esimesest termodünaamika seadusest. Igasugune kokkusurutud või venitatud vedru säästab selle energia peaaegu täielikult. Ainus kaotatud energia on tingitud looduslikust hõõrdumisest.
Lisaks sisaldab Hooke'i seadus lainesarnast perioodilist funktsiooni. Deformeerunud asendist vabastatud vedru naaseb perioodilise funktsiooni korral korduvalt proportsionaalse jõuga algasendisse. Samuti saab jälgida ja arvutada liikumise lainepikkust ja sagedust.
Kaasaegne elastsusteooria on Hooke'i seaduse üldistatud variatsioon, mis väidab, et elastse eseme või materjali deformatsioon / deformatsioon on võrdeline sellele rakendatava stressiga. Kuna üldistel pingetel ja pingetel võib olla mitu sõltumatut komponenti, ei pruugi "proportsionaalsustegur" olla lihtsalt üks reaalarv.
Hea näide sellest oleks tuulega toimetulek, kus rakendatav stress varieerub intensiivsuse ja suuna poolest. Sellistel juhtudel on kõige parem kasutada lineaarset kaarti (aka tensorit), mida saab ühe väärtuse asemel esitada reaalarvude maatriksina.
Kui teile see artikkel meeldis, on veel mitmeid teisi, mida teile meeldib ajakiri Space. Siin on üks Sir Isaac Newtoni panusest paljudesse teadusvaldkondadesse. Siin on huvitav artikkel gravitatsiooni kohta.
Veebis on ka suurepäraseid ressursse, näiteks seda Hooke’i seaduse loengut, mida saate vaadata saidil academicearth.org. Samuti on saidil howstuffworks.com suurepäraseid selgitusi elastsuse kohta.
Lisateabe saamiseks võite kuulata ka episoodi 138, Quantum Mechanics from Astronomy Cast.
Allikad:
Hüperfüüsika
Füüsika 24/7
