Foråret er et vidunder af menneskelig teknik og kreativitet. Disse funktioner muliggør igen skabelsen af mange menneskeskabte genstande, hvoraf de fleste opstod som en del af den videnskabelige revolution i slutningen af det 17. og 18. århundrede.
Som et elastisk objekt, der bruges til at opbevare mekanisk energi, er anvendelserne til dem omfattende, hvilket muliggør ting som et bilophængssystem, pendulur, hænder, vind-up legetøj, ure, rotte fælder, digitale mikromirror enheder, og selvfølgelig , Slinky.
Som så mange andre enheder, der er opfundet gennem århundreder, kræves en grundlæggende forståelse af mekanikken, før den kan bruges så vidt. Med hensyn til fjedre betyder det forståelse af lovene om elasticitet, torsion og kraft, der kommer i spil - som sammen er kendt som Hookes lov.
Hookes lov er et princip i fysik, der siger, at den kræft, der kræves for at forlænge eller komprimere en fjeder med en vis afstand, er proportional med denne afstand. Loven er opkaldt efter den britiske fysiker fra det 17. århundrede Robert Hooke, der forsøgte at demonstrere forholdet mellem de kræfter, der blev anvendt på en fjeder, og dens elasticitet.
Han erklærede først loven i 1660 som et latinsk anagram og offentliggjorde derefter løsningen i 1678 som ut tensio, sic vis - som oversat betyder "som forlængelse, så styrken" eller "forlængelsen er proportional med kraften").
Dette kan udtrykkes matematisk som F = -kX, hvor F er den kraft, der påføres fjederen (enten i form af belastning eller spænding); x er forskydningen af fjederen, med en negativ værdi, der viser, at forskydningen af fjederen når den er strakt; og k er forårskonstanten og detaljer, hvor stiv den er.
Hookes lov er det første klassiske eksempel på en forklaring af elasticitet - som er egenskaben til et objekt eller materiale, der får det til at gendannes til sin oprindelige form efter forvrængning. Denne evne til at vende tilbage til en normal form efter at have oplevet forvrængning kan omtales som en "gendannende kraft". Forstået med hensyn til Hookes lov er denne gendannende kraft generelt proportional med mængden af "strækning" oplevet.
Ud over at styre opførelsen af fjedre, gælder Hookes lov også i mange andre situationer, hvor en elastisk krop deformeres. Disse kan omfatte alt fra oppustning af en ballon og træk på et gummibånd til måling af mængden af vindkraft er nødvendig for at gøre en høj bygning bøjet og svajer.
Denne lov har haft mange vigtige praktiske anvendelser, hvoraf den ene var oprettelsen af et balancehjul, der gjorde det muligt at skabe det mekaniske ur, det bærbare ur, fjederskalaen og manometeret (også kaldet trykmåler). Fordi det er en tæt tilnærmelse af alle faste organer (så længe deformationskræfterne er små nok), er mange grene af videnskab og teknik også gæld til Hooke for at komme med denne lov. Disse inkluderer disciplinerne seismologi, molekylær mekanik og akustik.
Som de fleste klassiske mekanikere fungerer Hookes lov dog kun inden for en begrænset referenceramme. Da intet materiale kan komprimeres ud over en bestemt minimumsstørrelse (eller strækkes ud over en maksimal størrelse) uden nogen permanent deformation eller ændring af tilstand, gælder det kun, så længe der er tale om en begrænset mængde kraft eller deformation. Faktisk vil mange materialer mærkbart afvige fra Hookes lov, inden disse elastiske grænser er nået.
I sin generelle form er Hookes lov stadig forenelig med Newtons love om statisk ligevægt. Sammen gør de det muligt at udlede forholdet mellem belastning og stress for komplekse genstande med hensyn til de iboende materialer i de egenskaber, det er lavet af. Man kan for eksempel udlede, at en homogen stang med ensartet tværsnit vil opføre sig som en simpel fjeder, når den strækkes, med en stivhed (k) direkte proportional med dens tværsnitsareal og omvendt proportional med dens længde.
En anden interessant ting ved Hookes lov er, at det er et perfekt eksempel på den første termodynamiske lov. Enhver fjeder, når den komprimeres eller forlænges, sparer næsten perfekt den energi, der er påført den. Den eneste tabte energi skyldes naturlig friktion.
Derudover indeholder Hooke-loven en bølgelignende periodisk funktion. En fjeder frigivet fra en deformeret position vender tilbage til sin oprindelige position med proportional kraft gentagne gange i en periodisk funktion. Bevægelsens bølgelængde og frekvens kan også observeres og beregnes.
Den moderne teori om elasticitet er en generaliseret variation i Hookes lov, der siger, at belastningen / deformationen af et elastisk objekt eller materiale er proportional med den belastning, der påføres det. Da generelle spændinger og stammer imidlertid kan have flere uafhængige komponenter, er "proportionalitetsfaktoren" muligvis ikke længere kun et enkelt reelt tal.
Et godt eksempel på dette ville være, når man håndterer vind, hvor den anvendte spænding varierer i intensitet og retning. I tilfælde som disse er det bedst at anvende et lineært kort (også kaldet en tensor), der kan repræsenteres af en matrix med reelle tal i stedet for en enkelt værdi.
Hvis du nød denne artikel, er der flere andre, som du vil nyde i Space Magazine. Her er en om Sir Isaac Newtons bidrag til de mange videnskabelige områder. Her er en interessant artikel om tyngdekraften.
Der er også nogle store ressourcer online, såsom dette foredrag om Hookes lov, som du kan se på academicearth.org. Der er også en god forklaring på elasticitet på howstuffworks.com.
Du kan også lytte til afsnit 138, Kvantemekanik fra Astronomy Cast for mere information.
Kilder:
Hyperphysics
Fysik 24/7
