Ако сте се икада поигравали изоловано с врстом извора на које можете наићи у свакодневним предметима и алатима - рецимо, мала врста унутар дно хемијске оловке која се може кликнути - можда сте приметили да има одређена општа својства која је издвајају од већине осталих предмета.
Једна од њих је да се тежи да се врати у исту величину након што је или истегнете или стиснете. Друго, можда мање очигледно својство је да што га више растежете или сабијате, теже га је још више растегнути или сабити.
Ова својства се у потпуности примењују на идеално пролеће, и донекле до извора који се користе у све сврхе у стварном свету. Већина других предмета се уопште не понаша на такав начин; они који се потпуно одупру деформацијама обично се сломе када примењена сила постане довољно јака, док се други могу истегнути или стиснути, али се неће вратити у потпуности или уопште у свој првобитни облик и величина.
Необична својства извора, у комбинацији са тада новим концептуалним оквиром о сили и покрету, који су унапредили углавном Галилео Галилеи и Иссац Невтон, довело је до открића Хооке-овог закона, једноставног, али елегантног односа који се примењује на безброј инжењерских и индустријских процеса у савременом свету.
Витално откриће: Хоокеов закон
Извор је еластичан објект, што значи да има различите карактеристике описане у претходном одељку. То значи да се опире деформисању (истезање и сабијање су две врсте деформација) и такође да се врати у првобитне димензије под условом да сила остаје унутар еластичности опруге ограничења.
Пре објављивања Њутнових закона, Роберт Хооке (1635-1703) је једноставним експериментисањем открио да је количина деформација предмета сразмерно силама примењеним на деформисање тог предмета, све док су имали својство које је он назвао „еластичност“. Хооке је, у ствари, био плодан научник готово у целом свету све замисливе дисциплине, чак и ако данас није домаће име, великим делом због великог броја успешних научника који делују широм Европе у његово време.
Хоокеов закон дефинисан
Хоокеов закон је врло лако написати, упамтити и са њим радити, луксуз који се често не поклања студентима физике. Речима једноставно каже да је сила потребна да се опруга (или неки други еластични предмет) не деформише даље директно пропорционална удаљености која је предмет већ деформисао.
Ф = −кк
Ево к назива се пролећна константа, а различита је за различите изворе, као што бисте очекивали. Хооке-ов закон, који можете замислити као „формулу пролећне силе“, игра се на више различитих начина различите алате и аспекте живота, попут лукова за стреличарство и амортизера и одбојника аутомобиле.
За једноставне примере можете користити сопствену главу као калкулатор силе опруге. На пример, ако вам кажу да опруга делује на силу од 1.000 Н када се истеже за 2 м, можете поделити да бисте добили константу опруге: 1.000 / 2 = 500 Н / м.
Хуков закон у систему пролећне масе
Имајте на уму да, иако људи могу сматрати да су извори више „растезљиви“ него „стисљиви“, ако је извор правилно конструисан (тј. Има довољно простора између узастопних калемова), може се знатно стиснути, као и развући, а Хоокеов закон важи у оба смера деформација.
Замислите систем са блоком који седи на површини без трења и повезан је са зидом опругом која је у равнотежи, што значи да није ни стиснут ни растегнут. Ако повучете блок са зида и пустите га да иде, шта мислите да ће се догодити?
У тренутку када ослободите блок, сила Ф, у складу са Њутновим другим законом (Ф = ма), делује на убрзање блока према његовој почетној тачки. Тако за Хоокеов закон у овој ситуацији:
Ф = -кк = ма
Одавде је могуће, користећи к и м, да предвиди математичко понашање осцилација, које је таласасте природе. Блок је најбржи у тренуцима када пролази кроз почетну тачку у било ком смеру и, што је евидентније, у најспоријем (0) када обрне смер.
- Теорија вс. стварност: Оно што се дешава у овој замишљеној ситуацији је да блок пролази своју почетну тачку и осцилира напред-назад преко своје почетне тачке, бића стиснуто истом раздаљином прво је било испружено при сваком путовању према зиду, а затим зумирано назад до места где сте га повукли, у бескрајни циклус. У стварном свету опруга не би била идеална и њен материјал би на крају изгубио еластичност, али што је још важније, трење у стварности је неизбежно; његова сила убрзо смањује величину осцилација и блок се враћа у мировање.
Енергија у Хоокеовом закону
Видели сте да опруга има својствена или уграђена својства која се могу искористити да раде на начин који, рецимо, жвакаћа гума или куглични лежај не могу. Као резултат, опруге се могу описати не само силом већ и енергијом. (Рад има исту основну јединицу као енергија: њутнометар или Н⋅м),
Да бисте деформисали опругу, ви или нешто друго морате обавити посао на њој. Енергија коју преносите руком се „преноси“ у еластичну потенцијалну енергију кад се извор држи испружен. Ово је аналогно објекту изнад земље који има гравитациону потенцијалну енергију, а његова вредност је:
Е.П. = (1/2) кк2
Рецимо да користите стиснуту опругу за лансирање предмета дуж површине без трења. Енергија у овој идеалној ситуацији је у потпуности „претворена“ у кинетичку енергију у тренутку када објекат напусти извор, где:
Е.К. = (1/2) мв2
Стога, ако знате масу предмета, можете да употребите алгебру да бисте решили брзину в постављањем Е.П. (почетно) до Е.К. на „лансирању“.