- Jaka jest siła sprężysta?
- Formuły
- Energia kinetyczna i energia potencjalna odniesiona do siły sprężystej
- Pozyskiwanie energii potencjalnej
- Bibliografia
Siła sprężystości to siła, którą obiekt wywiera, aby przeciwstawić się zmianie jego kształtu. Przejawia się w przedmiocie, który dąży do odzyskania kształtu, gdy jest pod działaniem siły odkształcającej.
Siła sprężysta jest również nazywana siłą przywracającą, ponieważ przeciwdziała deformacji, aby przywrócić przedmioty do ich pozycji równowagi. Przenoszenie siły sprężystości następuje przez cząsteczki tworzące obiekty.
Siła sprężysta sprężyny
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, cząstki, które ją tworzą, zostaną bardziej oddzielone. Podobnie cząstki są odporne na oddzielanie się przez wywarcie siły przeciwnej do rozciągania.
Obiekty, które mają właściwość przywracania swojego pierwotnego kształtu poprzez przeciwdziałanie sile odkształcenia, nazywane są obiektami sprężystymi. Sprężyny, gumki i linki bungee to przykłady elastycznych przedmiotów.
Jaka jest siła sprężysta?
Siła sprężysta ( F k ) to siła, którą wywiera obiekt, aby odzyskać stan naturalnej równowagi po oddziaływaniu siły zewnętrznej.
Aby przeanalizować siłę sprężystą, zostanie wzięty pod uwagę 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 osiągnie punkt, 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 sprężysta. Siła ta przyspiesza sprężynę w kierunku przeciwnym do odkształcenia, aż odzyska równowagę.
To samo dzieje się podczas rozciągania sprężyny, ciągnąc masę poziomo. Sprężyna jest rozciągnięta i natychmiast wywiera siłę proporcjonalną do przemieszczenia przeciwstawnego do rozciągnięcia.
Formuły
Wzór na siłę sprężystą wyraża prawo Hooke'a. Prawo to mówi, że liniowa siła sprężysta wywierana przez obiekt jest proporcjonalna do przemieszczenia.
F k = -k.Δ s
F k = siła sprężysta
Prawo Hooke'a. Siła elastyczna proporcjonalna do rozciągania.
Ujemny znak w równaniu wskazuje, że siła sprężysta sprężyny jest w kierunku przeciwnym do siły, która spowodowała przemieszczenie. Stała proporcjonalności k jest stałą zależną od rodzaju materiału, z którego wykonana jest sprężyna. Jednostką stałej k jest N / m.
Przedmioty elastyczne mają granicę elastyczności, która będzie zależeć od stałej odkształcenia. Jeśli zostanie rozciągnięty poza granicę elastyczności, odkształci się trwale.
Równanie y dotyczy małych przemieszczeń sprężyny. Gdy przemieszczenia są większe, dodawane są wyrażenia o większej mocy Δ x .
Energia kinetyczna i energia potencjalna odniesiona do siły sprężystej
Siła sprężystości działa na sprężynę, przesuwając ją w kierunku pozycji równowagi. W trakcie tego procesu zwiększa się energia potencjalna systemu masy sprężystej. Energia potencjalna wynikająca z pracy wykonanej przez siłę sprężystą jest wyrażona w równaniu.
Energia potencjalna jest wyrażona w dżulach (J).
Gdy siła odkształcająca nie jest przyłożona, sprężyna przyspiesza do położenia równowagi, zmniejszając energię potencjalną i zwiększając energię kinetyczną.
Energia kinetyczna układu masowo-sprężynowego, gdy osiąga on pozycję równowagi, jest określona równaniem.
Stała sprężyny k wynosi 35 N / m.
Do odkształcenia sprężyny o 5 cm potrzeba siły 1,75 N.
Jaka jest stała ugięcia sprężyny rozciągniętej na 20 cm pod działaniem siły 60 N?
Stała sprężyny wynosi 300 N / m
Pozyskiwanie energii potencjalnej
Jaka jest energia potencjalna odniesiona do pracy wykonanej przez siłę sprężystą sprężyny, która jest ściskana na 10 cm, a stała jej odkształcenia wynosi 20 N / m?
Siła sprężyny 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
Bibliografia
- Kittel, C, Knight, WD i Ruderman, M A. Mechanika. USA: Mc Graw Hill, 1973, tom I.
- Rama Reddy, K, Badami, SB i Balasubramanian, V. Oscillations and Waves. Indie: Universities Press, 1994.
- Murphy, J. Physics: zrozumienie właściwości materii i energii. Nowy Jork: Britannica Educational Publishing, 2015.
- Giordano, N J. College Physics: Rozumowanie i relacje. Kanada: Brooks / Cole, 2009.
- Walker, J, Halliday, D i Resnick, R. Podstawy fizyki. USA: Wiley, 2014.