Yay Kuvveti Nasıl Hesaplanır

Günlük nesnelerde ve araçlarda karşılaşılan türde bir yay ile tecritte oynadıysanız - örneğin, içindeki küçük tür. "tıklanabilir" bir tükenmez kalemin alt kısmı - onu diğerlerinden ayıran belirli genel özelliklere sahip olduğunu fark etmiş olabilirsiniz. nesneler.

Bunlardan biri, gerdirdikten veya sıkıştırdıktan sonra aynı boyuta dönme eğiliminde olmasıdır. Belki de daha az belirgin olan bir başka özellik, ne kadar çok gererseniz veya sıkıştırırsanız, o kadar fazla germek veya sıkıştırmak daha zor olur.

Bu özellikler tamamen bir ideal yayve bir dereceye kadar gerçek dünyada her türlü amaç için kullanılan yaylara. Diğer nesnelerin çoğu hiç bu şekilde davranmaz; deformasyona tamamen direnenler, uygulanan bir kuvvet yeterince güçlü hale geldiğinde genellikle kırılır, diğerleri esneyebilir veya sıkıştırılabilir, ancak tam olarak veya hiç orijinal şekillerine dönmeyebilir ve boyut.

Yayların olağandışı özellikleri, başta Galileo Galilei ve Issac Newton tarafından geliştirilen kuvvet ve hareketle ilgili yeni bir kavramsal çerçeve ile birleştiğinde, Modern dünyadaki sayısız mühendislik ve endüstriyel süreç için geçerli olan basit ama zarif bir ilişki olan Hooke yasasının keşfine yol açtı.

Bir yay bir elastik önceki bölümde açıklanan çeşitli özelliklere sahip olduğu anlamına gelir. Bu, deforme olmaya direndiği anlamına gelir (germe ve sıkıştırma iki tür deformasyondur) ve ayrıca kuvvet yayın elastiki içinde kalması şartıyla orijinal boyutlarına geri döner. sınırlar.

Newton yasalarının yayınlanmasından önce, Robert Hooke (1635-1703), bazı basit deneylerle nesnelerin deformasyon miktarının "esneklik" olarak adlandırdığı özelliğe sahip oldukları sürece, o nesneyi deforme etmek için uygulanan kuvvetlerle orantılıdır. Aslında Hooke, neredeyse dünyanın her yerinde üretken bir bilim adamıydı. Hayal edilebilecek tüm disiplinler, bugün bir hane adı olmasa bile, büyük ölçüde Avrupa çapında faaliyet gösteren çok sayıda başarılı bilim insanı nedeniyle. Onun zamanında.

Hooke kanunu yazmak, hatırlamak ve üzerinde çalışmak çok kolaydır, fizik öğrencilerine pek sık verilmeyen bir lükstür. Başka bir deyişle, bir yayı (veya başka bir elastik nesneyi) daha fazla deforme olmaktan korumak için gereken kuvvetin, nesnenin zaten deforme olduğu mesafeyle doğru orantılı olduğunu söyler.

F = -kx

Buraya k yay sabiti olarak adlandırılır ve tahmin edeceğiniz gibi farklı yaylar için farklıdır. Bir "yay kuvveti formülü" olarak düşünebileceğiniz Hooke yasası, çeşitli okçuluk yayları ve amortisörler ve tamponlar gibi hayatın farklı araçları ve yönleri otomobiller.

Basit örnekler için kendi başınızı yay kuvveti hesaplayıcısı olarak kullanabilirsiniz. Örneğin, bir yayın 2 m gerildiğinde 1.000 N'luk bir kuvvet uyguladığı söylenirse, yay sabitini elde etmek için bölebilirsiniz: 1.000/2 = 500 N/m.

İnsanlar yayları "sıkıştırılabilir" olmaktan çok "gerilebilir" olarak düşünebilseler de, eğer bir yay uygun şekilde yapılmışsa (yani, ardışık bobinler arasında yeterli boşluk), önemli ölçüde sıkıştırılabilir ve gerilebilir ve Hooke yasası her iki yönde de geçerlidir. deformasyon.

Sürtünmesiz bir yüzey üzerinde oturan ve bir duvara dengede olan, yani ne sıkıştırılıp ne de esnemeyen bir yay ile bağlı bir bloktan oluşan bir sistem düşünün. Bloğu duvardan çekip gitmesine izin verirseniz, ne olacağını düşünüyorsunuz?
Bloğu serbest bıraktığınız anda, bir kuvvet F, Newton'un ikinci yasasına göre (F = ma), bloğu başlangıç ​​noktasına doğru hızlandırmak için hareket eder. Bu durumda Hooke yasası için:

F = -kx = ma

Buradan, kullanarak mümkündür k ve m, doğası gereği dalga benzeri olan salınımın matematiksel davranışını tahmin etmek için. Blok, herhangi bir yönde başlangıç ​​noktasından geçtiği zamanlarda en hızlıdır ve daha belirgin olarak, yönü tersine çevirdiğinde en yavaş (0)'dır.

• Teori vs. gerçeklik: Bu hayali durumda olan şey, bloğun başlangıç ​​noktasını geçmesi ve başlangıç ​​noktası boyunca ileri geri salınım yapmasıdır. aynı mesafede sıkıştırılmış, ilk önce duvara doğru her yolculukta geriliyor ve sonra onu çektiğiniz yere geri dönüyor, hiç bitmeyen bir şekilde döngü. Gerçek dünyada, yay ideal olmaz ve malzemesi sonunda esnekliğini kaybeder, ancak daha da önemlisi, gerçekte sürtünme kaçınılmazdır; kuvveti kısa sürede salınımların büyüklüğünü azaltır ve blok dinlenmeye döner.

Bir yayın, örneğin ciklet veya bilyeli yatağın yapamayacağı şekilde iş yapmak için kullanılabilecek doğal veya yerleşik özelliklere sahip olduğunu gördünüz. Sonuç olarak yaylar sadece kuvvetle değil, enerjiyle de tanımlanabilir. (İş, enerji ile aynı temel birime sahiptir: Newton-metre veya N⋅m),

Yayı deforme etmek için, siz veya başka bir şey üzerinde çalışmanız gerekir. Kolunuzu kullanarak verdiğiniz enerji, esneklik potansiyel enerjisine "aktarılır" yay gergin tutulduğunda. Bu, yer üstünde yerçekimi potansiyel enerjisine sahip bir nesneye benzer ve değeri:

E_P = (1/2)kx²

Sürtünmesiz bir yüzey boyunca bir nesneyi fırlatmak için sıkıştırılmış bir yay kullandığınızı varsayalım. Bu ideal durumdaki enerji, nesne yayı terk ettiği anda tamamen kinetik enerjiye "dönüştürülür", burada:

E_K = (1/2)mv²

Bu nedenle, nesnenin kütlesini biliyorsanız, hızı çözmek için cebir kullanabilirsiniz. v ayarlayarak E_P (başlangıç) E_K öğle yemeğinde."