Plik siła sprężysta jest siłą, którą obiekt wywiera, aby oprzeć się zmianie jego kształtu. Przejawia się w przedmiocie, który ma tendencję do odzyskiwania kształtu, gdy jest pod działaniem siły odkształcającej.
Siła sprężystości jest również nazywana siłą przywracającą, ponieważ przeciwdziała deformacji, aby przywrócić przedmioty do ich pozycji równowagi. Przenoszenie siły sprężystości następuje przez cząsteczki tworzące obiekty.
Na przykład, gdy metalowa sprężyna jest ściskana, wywierana jest siła, która popycha cząstki sprężyny, zmniejszając odległość między nimi, jednocześnie cząsteczki są odporne na popychanie przez wywieranie siły przeciwnej do ściskania..
Jeśli zamiast ściskać sprężynę, zostanie ona pociągnięta, rozciągnięta, cząsteczki, które ją tworzą, są dalej oddzielane. Podobnie cząstki są odporne na oddzielanie się przez wywieranie siły przeciwnej do rozciągania..
Obiekty, które mają właściwość przywracania swojego pierwotnego kształtu po przeciwstawieniu się sile odkształcającej, nazywane są obiektami sprężystymi. Sprężyny, gumki i linki bungee to przykłady elastycznych przedmiotów..
Indeks artykułów
Siła sprężysta (fak) jest siłą, jaką wywiera obiekt, aby odzyskać stan naturalnej równowagi po oddziaływaniu siły zewnętrznej.
Aby przeanalizować siłę sprężystą, pod uwagę zostanie wzięty idealny system masy sprężystej, który składa się z poziomo umieszczonej sprężyny przymocowanej jednym końcem do ściany, a drugim do bloku o znikomej masie. Inne siły działające na system, takie jak siła tarcia lub siła grawitacji, nie będą brane pod uwagę..
Jeśli na masę zostanie wywierana pozioma siła skierowana w stronę ściany, jest ona przenoszona w kierunku sprężyny, ściskając ją. Sprężyna przesuwa się z pozycji równowagi do nowej pozycji. Gdy obiekt ma tendencję do pozostawania w równowadze, pojawia się siła sprężysta w sprężynie, która przeciwstawia się przyłożonej sile.
Przemieszczenie wskazuje, jak mocno zdeformowała się sprężyna, a siła sprężystości jest proporcjonalna do tego przemieszczenia. Gdy sprężyna jest ściskana, zmienia się położenie, a w konsekwencji zwiększa się siła sprężystości..
Im bardziej sprężyna jest ściśnięta, tym bardziej przeciwstawna siła wywiera, aż do osiągnięcia punktu, w którym przyłożona siła i równowaga siły sprężystej, w konsekwencji przestają się poruszać układ sprężyna-masa. Kiedy przestajesz przykładać siłę, jedyną działającą siłą jest siła sprężystości. Siła ta przyspiesza sprężynę w kierunku przeciwnym do odkształcenia, aż odzyska stan równowagi.
To samo dzieje się podczas rozciągania sprężyny, ciągnąc masę poziomo. Sprężyna jest rozciągnięta i natychmiast wywiera siłę proporcjonalną do przemieszczenia przeciwdziałającego rozciągnięciu.
Wzór na siłę sprężystą wyraża prawo Hooke'a. Zgodnie z tym prawem liniowa siła sprężystości wywierana przez obiekt jest proporcjonalna do przemieszczenia.
fak = -k.Δs [1]
fak = Siła elastyczna
k = Stała proporcjonalności
Δs = Przemieszczenie
Gdy obiekt jest przemieszczany w poziomie, jak w przypadku sprężyny przymocowanej do ściany, przemieszczenie jest Δx, a wyrażenie prawa Hooke'a jest napisane:
fak = -k.Δx [dwa]
Ujemny znak w równaniu wskazuje, że siła sprężystości sprężyny jest przeciwna do siły, która spowodowała przemieszczenie. Stała proporcjonalności k jest stałą zależną od rodzaju materiału, z którego wykonana jest sprężyna. Jednostka stałej k to jest N / m.
Przedmioty elastyczne mają granicę elastyczności, która będzie zależeć od stałej odkształcenia. Jeśli zostanie rozciągnięty poza granicę sprężystości, odkształci się trwale.
Równania [1] i [2] odnoszą się do małych przemieszczeń sprężyny. Gdy przemieszczenia są większe, terminy o większej sile Δx.
Siła sprężysta działa na sprężynę, przesuwając ją w kierunku pozycji równowagi. W trakcie tego procesu wzrasta energia potencjalna systemu masy sprężystej. Energia potencjalna wynikająca z pracy wykonanej przez siłę sprężystą jest wyrażona równaniem [3].
U = ½ k . Δxdwa[3]
Energia potencjalna jest wyrażona w dżulach (J).
Gdy siła odkształcająca nie jest już przyłożona, sprężyna przyspiesza do położenia równowagi, zmniejszając energię potencjalną i zwiększając energię kinetyczną..
Energię kinetyczną układu sprężyna-masa, gdy osiąga on pozycję równowagi, określa równanie [4].
Ik= ½ m.vdwa[4]
m = masa
v = prędkość sprężyny
Aby rozwiązać układ sprężyna-masa, stosuje się drugie prawo Newtona, biorąc pod uwagę, że siła sprężysta jest siłą zmienną.
Ile siły należy przyłożyć do sprężyny, aby rozciągnęła się na 5 cm, jeśli stała sprężyny wynosi 35 N / m?
Ponieważ siła przyłożenia jest przeciwna do siły sprężystej, jest ona określana fak zakładając, że sprężyna jest rozciągnięta poziomo. Wynik nie wymaga znaku ujemnego, ponieważ potrzebna jest tylko siła przyłożenia.
Prawo Hooke'a
fak = -k.Δx
Stała k wiosna jest 35 N / m.
Δx = 5 cm = 0,05 m
fak = -35 N / m. 0,05 m
fak = - 1,75 N = - F
Potrzebne 1,75 N siła, aby zdeformować sprężynę 5cm.
Jaka jest stała odkształcenia rozciągniętej sprężyny 20 cm przez działanie siły 60N?
Δx =20 cm = 0,2 m
fa = 60N
fak = -60 N = - F
k = - Fk / Δx
= - (- 60N) / 0,2 m
k = 300 N / m
Stała sprężystości to 300 N / m
Jaka jest energia potencjalna w odniesieniu do pracy wykonanej przez siłę sprężystą sprężyny ściskającej 10cm a jego stała odkształcenia wynosi 20 N / m?
Δx =10 cm = 0,1 m
k = 20 N / m
fak = -20 N / m. 0,1 m
fak = -200N
Siła sprężysta sprężyny wynosi -200N.
Siła ta działa na sprężynę, aby przesunąć ją w kierunku jej pozycji równowagi. Wykonanie tej pracy zwiększa potencjalną energię systemu.
Energię potencjalną oblicza się za pomocą równania [3]
U = ½ k . Δxdwa
U = ½ (20 N / m). (0,1 m)dwa
U = 0,1 dżuli
Jeszcze bez komentarzy