האביב הוא פלא של הנדסת אנוש ויצירתיות. פונקציות אלה מאפשרות בתורם ליצור חפצים רבים מעשה ידי אדם, שרובם הופיעו כחלק מהמהפכה המדעית בסוף המאה ה -17 וה -18.
כאובייקט אלסטי המשמש לאגירת אנרגיה מכנית, היישומים עבורם הם רחבים המאפשרים דברים כמו מערכות מתלי רכב, שעוני מטוטלת, סדיני ידיים, צעצועי פתיחה, שעונים, מלכודות עכברוש, מכשירי מיקרו-מראות דיגיטליים וכמובן. , הסלינקי.
כמו כל כך הרבה מכשירים אחרים שהומצאו במהלך מאות השנים, נדרשת הבנה בסיסית של המכניקה לפני שהיא יכולה להשתמש בה באופן כה נרחב. מבחינת קפיצים המשמעות היא הבנת חוקי האלסטיות, הפיתול והכוח שנכנסים לתמונה - שידועים יחד כחוק של הוק.
חוק הוק הוא עיקרון של הפיזיקה הקובע כי הכוח הדרוש להארכה או לדחיסה של קפיץ למרחק כלשהו פרופורציונלי למרחק זה. החוק נקרא על שם הפיזיקאי הבריטי רוברט הוק מהמאה ה -17, שביקש להפגין את הקשר בין הכוחות המופעלים על מעיין לבין גמישותו.
תחילה הוא הצהיר את החוק בשנת 1660 כאגרמה לטינית, ואז פרסם את הפיתרון בשנת 1678 בתור ut tensio, sic vis - שתורגם פירושו "כהרחבה, כך שהכוח" או "הרחבה פרופורציונלית לכוח").
ניתן לבטא זאת באופן מתמטי כ- F = -kX, איפה ו הוא הכוח המופעל על הקפיץ (בצורה של מתח או לחץ); איקס הוא העקירה של הקפיץ, כאשר ערך שלילי מדגים כי העקירה של הקפיץ ברגע שהוא נמתח; ו k הוא הקפיץ הקבוע ומפרט עד כמה הוא נוקשה.
החוק של הוק הוא הדוגמא הקלאסית הראשונה להסבר על גמישות - שהוא רכושו של חפץ או חומר הגורם להחזרתו לצורתו המקורית לאחר עיוות. ניתן לכנות יכולת זו לחזור לצורה רגילה לאחר חווית עיוות כ"כוח המשקם ". מובן מבחינת חוק הוק, כוח השיקום הזה פרופורציונלי בדרך כלל לכמות ה"מתח "שחווה.
בנוסף לממשל על התנהגות מעיינות, חוק הוק חל גם במצבים רבים אחרים בהם גוף אלסטי מעוות. אלה יכולים לכלול כל דבר החל מנופחת בלון ומשיכת רצועת גומי למדידת כמות כוח הרוח הדרושה בכדי להתכופף ולהתנועע בבניין גבוה.
לחוק זה היו יישומים מעשיים רבים וחשובים, כאשר האחד הוא יצירת גלגל איזון, שאיפשר את יצירת השעון המכני, השעון הנייד, סולם הקפיצים והמונומטר (המכונה מד לחץ). כמו כן, מכיוון שמדובר בקירוב קרוב לכל הגופים המוצקים (כל עוד כוחות העיוות הם קטנים מספיק), ענפים רבים של מדע והנדסה, כמו כן, חבים את הוק על כך שיצא לחוק זה. אלה כוללים את הדיסציפלינות של סייסמולוגיה, מכניקה מולקולרית ואקוסטיקה.
עם זאת, כמו רוב המכניקה הקלאסית, חוק הוק פועל רק במסגרת התייחסות מוגבלת. מכיוון שלא ניתן לדחוס שום חומר מעבר לגודל מינימלי מסוים (או למתוח אותו מעבר לגודל המקסימלי) ללא עיוות קבוע או שינוי מצב כלשהו, הוא חל רק כל עוד מדובר בכמות מוגבלת של כוח או עיוות. למעשה, חומרים רבים יסטו באופן ניכר מחוקו של הוק עוד לפני שהגבולות האלסטיים הללו יגיעו.
ובכל זאת, במתכונתו הכללית, חוק הוק תואם לחוקי שיווי המשקל הסטטי של ניוטון. יחד הם מאפשרים להסיק את הקשר בין עומס ומתח לאובייקטים מורכבים מבחינת החומרים המהותיים של התכונות מהן הוא עשוי. לדוגמא, ניתן להסיק כי מוט הומוגני עם חתך אחיד יתנהג כמעיין פשוט כאשר הוא נמתח, עם נוקשות (k) פרופורציונלית ישירה לשטח החתך שלה ויחסית הפוך לאורכה.
דבר מעניין נוסף בחוקו של הוק הוא שהוא דוגמה מושלמת לחוק הראשון של התרמודינמיקה. כל קפיץ כאשר דחוס או מורחב כמעט ושומר באופן מושלם את האנרגיה המופעלת עליו. האנרגיה היחידה שאבדה נובעת מחיכוך טבעי.
בנוסף, החוק של הוק מכיל בתוכו פונקציה תקופתית גל. קפיץ המשוחרר ממיקום מעוות יחזור למקומו המקורי בעוצמה פרופורציונית שוב ושוב בפונקציה תקופתית. ניתן לצפות ולחשב את אורך הגל והתדר של התנועה.
התיאוריה המודרנית של גמישות היא וריאציה כללית לחוקו של הוק, הקובעת כי המתח / העיוות של אובייקט או חומר אלסטי פרופורציונלי למתח המופעל עליו. עם זאת, מכיוון שללחצים וזנים כלליים עשויים להיות רכיבים עצמאיים מרובים, "גורם המידתיות" כבר לא יכול להיות רק מספר אמיתי אחד.
דוגמה טובה לכך יכולה להיות כאשר מתמודדים עם רוח, כאשר הלחץ המופעל משתנה בעוצמה ובכיוון. במקרים כמו אלה עדיף להשתמש במפה ליניארית (המכונה טנזור) שניתן לייצג על ידי מטריצה של מספרים אמיתיים במקום ערך יחיד.
אם נהניתם ממאמר זה ישנם כמה אחרים שתיהנו ממגזין החלל. לפניכם תרומה של סר איזק ניוטון לתחומי המדע הרבים. להלן מאמר מעניין על כוח המשיכה.
ישנם גם כמה מקורות גדולים באינטרנט, כמו הרצאה זו על חוק הוק שתוכלו לצפות בהם באתר academearth.org. יש גם הסבר נהדר לגמישות באתר howstuffworks.com.
תוכלו גם להאזין לפרק 138, מכניקת הקוונטים מתוך אסטרונומיה צוות לקבלת מידע נוסף.
מקורות:
היפרפיזיקה
פיזיקה 24/7
