თუ ოდესმე იზოლირებულად უთამაშიათ გაზაფხულის იმ სახეობას, რომელიც ყოველდღიურ საგნებსა და ხელსაწყოებში გვხვდება - ვთქვათ, მცირე ზომის შიგნით "დაწკაპუნებადი" ბურთულიანი კალმის ბოლოში - ალბათ შეგიმჩნევიათ, რომ მას აქვს გარკვეული ზოგადი თვისებები, რითაც იგი გამოირჩევა სხვათაგან ობიექტები.
ერთ-ერთი მათგანია ის, რომ ის მიდის იმავე ზომაზე დაბრუნების შემდეგ, რაც მას ან გაჭიმავთ ან შეკუმშავთ. კიდევ ერთი, ალბათ ნაკლებად აშკარა თვისებაა ის, რომ რაც უფრო მეტს დაჭიმავთ ან შეკუმშავთ, მით უფრო რთულია მისი კიდევ უფრო დაჭიმვა ან შეკუმშვა.
ეს თვისებები მთლიანად ვრცელდება ან იდეალური გაზაფხულიდა გარკვეულწილად რეალურ სამყაროში ყველანაირი მიზნისთვის გამოყენებული წყაროები. სხვა ობიექტების უმეტესობა ასე არ იქცევა; ის, ვინც დეფორმაციას ეწინააღმდეგება, ჩვეულებრივ იშლება, როდესაც გამოყენებული ძალა საკმარისად ძლიერი ხდება, ხოლო სხვები შეიძლება გაიჭიმონ ან შეკუმშონ, მაგრამ სრულად ან საერთოდ არ დაბრუნდნენ თავდაპირველ ფორმას და ზომა
წყაროების უჩვეულო თვისებები, კომბინირებული მაშინდელ ახალ კონცეპტუალურ ჩარჩოსთან დაკავშირებით ძალა და მოძრაობა, ძირითადად გალილეო გალილეისა და ისაკ ნიუტონის მიერ, გამოიწვია ჰუკის კანონის აღმოჩენა, მარტივი, მაგრამ ელეგანტური ურთიერთობა, რომელიც თანამედროვე სამყაროში უამრავ საინჟინრო და სამრეწველო პროცესებს ეხება.
სასიცოცხლო აღმოჩენა: ჰუკის კანონი
გაზაფხული არის ელასტიური ობიექტი, რაც ნიშნავს, რომ მას აქვს წინა მახასიათებელში აღწერილი სხვადასხვა მახასიათებლები. ეს ნიშნავს, რომ ის ეწინააღმდეგება დეფორმაციას (გაჭიმვა და შეკუმშვა წარმოადგენს დეფორმაციის ორ ტიპს) და ასევე, რომ ის უბრუნდება თავის თავდაპირველ ზომებს, იმ პირობით, რომ ძალა დარჩება გაზაფხულის ელასტიკის ფარგლებში ლიმიტები.
ნიუტონის კანონების გამოქვეყნებამდე, რობერტ ჰუკმა (1635-1703) რამდენიმე მარტივი ექსპერიმენტის საშუალებით აღმოაჩინა, რომ ობიექტების დეფორმაციის რაოდენობა იყო ამ ობიექტის დეფორმირებისთვის გამოყენებული ძალების პროპორციული, რადგან მათ გააჩნიათ თვისება, მან უწოდა "ელასტიურობა". ჰუკი, ფაქტობრივად, ნაყოფიერი მეცნიერი იყო თითქმის ყველა წარმოსადგენი დისციპლინა, მაშინაც კი, თუ ის დღეს არ არის ცნობილი სახელი, დიდწილად იმის გამო, რომ უამრავი მეცნიერი მეცნიერი მუშაობს მთელ ევროპაში თავის დროზე.
ჰუკის კანონი განსაზღვრულია
ჰუკის კანონის წერა, დამახსოვრება და მასთან მუშაობა ძალიან მარტივია, ფუფუნება, რომელიც ხშირად არ ენიჭება ფიზიკის სტუდენტებს. სიტყვებით, ის უბრალოდ ამბობს, რომ ზამბარის (ან სხვა ელასტიური საგნის) დეფორმაციის შემდგომი შესანარჩუნებლად საჭირო ძალა პირდაპირპროპორციულია იმ ობიექტის უკვე დეფორმირებული მანძილით.
F = −kx
Აქ კ ზამბარის მუდმივობას უწოდებენ და ის განსხვავებულია სხვადასხვა ზამბარისთვის, როგორც ამას იფიქრებდით. ჰუკის კანონი, რომელიც თქვენ შეიძლება წარმოიდგინოთ, როგორც "ზამბარის ძალის ფორმულა", თამაშობს მრავალფეროვნებაში ცხოვრების სხვადასხვა იარაღები და ასპექტები, როგორიცაა მშვილდოსნები და ამორტიზატორები და ბამპერები ავტომობილები.
მარტივი მაგალითებისთვის შეგიძლიათ გამოიყენოთ საკუთარი თავი საგაზაფხულო ძალის გამომთვლელად. მაგალითად, თუ გითხრათ, რომ 2 მ-ით გაჭიმვისას ზამბარა ახდენს 1000 N ძალას, შეგიძლიათ გაყოთ და მიიღოთ ზამბარის მუდმივა: 1,000 / 2 = 500 N / m.
ჰუკის კანონი გაზაფხულის მასის სისტემაში
გაითვალისწინეთ, რომ მიუხედავად იმისა, რომ ხალხს შეიძლება წყაროები უფრო "გაჭიმვადი" ჰქონდეს, ვიდრე "შეკუმშვადი", თუ ზამბარა სწორად არის აშენებული (ანუ აქვს საკმარისი სივრცე თანმიმდევრულ კოჭებს შორის), ის შეიძლება მნიშვნელოვნად იყოს შეკუმშული და გაჭიმული და ჰუკის კანონი მოქმედებს ორივე მიმართულებით დეფორმაცია.
წარმოიდგინეთ სისტემა, რომელსაც ბლოკი ზის ხახუნის გარეშე და უკავშირდება კედელს წონასწორობის ზონრით, რაც ნიშნავს, რომ ის არც იკუმშება და არც იჭიმება. თუ ბლოკს კედელს მოშორებთ და გაუშვებთ, როგორ ფიქრობთ, რა მოხდება?
ამ მომენტში თქვენ გამოტოვებთ ბლოკს, ძალას ვ, ნიუტონის მეორე კანონის (F = ma) შესაბამისად, მოქმედებს ბლოკის დასაჩქარებლად მისი საწყისი წერტილისკენ. ჰუკის კანონისთვის ამ სიტუაციაში:
F = -kx = მა
აქედან შესაძლებელია გამოყენება კ და მ, რხევების მათემატიკური ქცევის პროგნოზირება, რომელიც ბუნების ტალღოვანია. ბლოკი არის ყველაზე სწრაფი იმ დროს, როდესაც იგი გაივლის საწყის წერტილს ორივე მიმართულებით და, უფრო აშკარად, ყველაზე ნელა (0), როდესაც ის უკუგანვითარებს მიმართულებას.
- თეორია vs. რეალობა: რა ხდება ამ წარმოსახვით სიტუაციაში არის ის, რომ ბლოკი გადის მის საწყის წერტილს და იცვლება მისი საწყისი წერტილის წინ და უკან შეკუმშული იმავე მანძილით, იგი პირველ რიგში იჭიმებოდა კედლისკენ მიმავალ თითოეულ მოგზაურობაში და შემდეგ მასშტაბირდებოდა უკან, სადაც მიიყვანეთ, დაუსრულებლად ციკლი რეალურ სამყაროში, გაზაფხული არ იქნება იდეალური და მისი მასალა საბოლოოდ დაკარგავს ელასტიურობას, მაგრამ რაც მთავარია, ხახუნის რეალობა გარდაუვალია; მისი ძალა მალე ამცირებს რხევების სიდიდეს და ბლოკი უბრუნდება მოსვენებას.
ენერგია ჰუკის კანონში
თქვენ ნახეთ, რომ ზამბარას აქვს თანდაყოლილი, ან ჩაშენებული თვისებები, რომელთა გამოყენება შესაძლებელია ისე, რომ ვთქვათ, ბუშტის რეზინი ან ბურთი არ იყოს. შედეგად, წყაროები შეიძლება აღწერილი იყოს არა მხოლოდ ძალის, არამედ ენერგიის თვალსაზრისით. (მუშაობას აქვს იგივე ფუნდამენტური ერთეული, როგორც ენერგია: ნიუტონი-მეტრი ან N⋅m),
ზამბარის დეფორმირებისთვის თქვენ ან სხვა რამემ უნდა იმუშაოთ მასზე. ენერგია, რომელსაც მკლავის გამოყენებით გადასცემთ, "გადადის" ელასტიურ პოტენციურ ენერგიად როდესაც გაზაფხული გაჭიმულია. ეს არის მიწის ზემოთ მდებარე ობიექტის ანალოგი, რომელსაც აქვს გრავიტაციული პოტენციური ენერგია და მისი ღირებულებაა:
ეპ = (1/2) კგ2
თქვით, რომ შეკუმშული ზამბარა იყენებთ ობიექტის ხახუნის ზედაპირის გასწვრივ. ენერგია ამ იდეალურ სიტუაციაში მთლიანად "გადაკეთდა" კინეტიკურ ენერგიად იმ მომენტში, როდესაც ობიექტი გაზაფხულს ტოვებს, სადაც:
ეკ = (1/2) მვ2
ამრიგად, თუ იცით ობიექტის მასა, შეგიძლიათ გამოიყენოთ ალგებრა სიჩქარის გადასაჭრელად ვ დაყენებით ეპ (საწყისი) ეკ "გაშვებაზე".
