La primavera è una meraviglia dell'ingegneria e della creatività umana. Queste funzioni a loro volta consentono la creazione di molti oggetti artificiali, la maggior parte dei quali è emersa come parte della Rivoluzione scientifica alla fine del XVII e XVIII secolo.
Come oggetto elastico utilizzato per immagazzinare energia meccanica, le applicazioni per loro sono ampie, rendendo possibili cose come sistemi di sospensione automobilistici, orologi a pendolo, lancette a mano, giocattoli a carica, orologi, trappole per topi, dispositivi digitali a micromirror e, naturalmente , lo Slinky.
Come tanti altri dispositivi inventati nel corso dei secoli, è necessaria una conoscenza di base della meccanica prima che possa essere utilizzata così ampiamente. In termini di molle, ciò significa comprendere le leggi di elasticità, torsione e forza che entrano in gioco - che insieme sono conosciute come la Legge di Hooke.
La Legge di Hooke è un principio della fisica che afferma che la forza necessaria per estendere o comprimere una molla di una certa distanza è proporzionale a quella distanza. La legge prende il nome dal fisico britannico del 17 ° secolo Robert Hooke, che cercò di dimostrare il rapporto tra le forze applicate a una molla e la sua elasticità.
Dichiarò per la prima volta la legge nel 1660 come anagramma latino, e poi pubblicò la soluzione nel 1678 come ut tensio, sic vis - che tradotto, significa "come estensione, quindi la forza" o "l'estensione è proporzionale alla forza").
Questo può essere espresso matematicamente come F = -kX, dove F è la forza applicata alla molla (sotto forma di tensione o tensione); X è lo spostamento della molla, con un valore negativo che dimostra che lo spostamento della molla una volta allungato; e K è la costante della molla e indica quanto sia rigida.
La legge di Hooke è il primo esempio classico di una spiegazione dell'elasticità - che è la proprietà di un oggetto o materiale che fa sì che venga ripristinato alla sua forma originale dopo la distorsione. Questa capacità di tornare a una forma normale dopo aver subito la distorsione può essere definita una "forza di ripristino". Capita in termini della Legge di Hooke, questa forza di ripristino è generalmente proporzionale alla quantità di "stiramento" sperimentato.
Oltre a governare il comportamento delle molle, la Legge di Hooke si applica anche in molte altre situazioni in cui un corpo elastico è deformato. Questi possono includere qualsiasi cosa, dal gonfiare un palloncino e tirare un elastico per misurare la quantità di forza del vento necessaria per far piegare e ondeggiare un edificio alto.
Questa legge ha avuto molte importanti applicazioni pratiche, tra cui la creazione di un bilanciere, che ha reso possibile la creazione dell'orologio meccanico, dell'orologio portatile, della bilancia a molla e del manometro (alias il manometro). Inoltre, poiché si tratta di una stretta approssimazione di tutti i corpi solidi (purché le forze di deformazione siano abbastanza piccole), numerosi rami della scienza e dell'ingegneria sono anche in debito con Hooke per aver elaborato questa legge. Questi includono le discipline della sismologia, della meccanica molecolare e dell'acustica.
Tuttavia, come la maggior parte dei meccanici classici, la Legge di Hooke funziona solo in un quadro di riferimento limitato. Poiché nessun materiale può essere compresso oltre una determinata dimensione minima (o allungato oltre una dimensione massima) senza una deformazione permanente o un cambiamento di stato, si applica solo fintanto che è coinvolta una quantità limitata di forza o deformazione. In effetti, molti materiali si discosteranno notevolmente dalla legge di Hooke molto prima che vengano raggiunti quei limiti elastici.
Tuttavia, nella sua forma generale, la Legge di Hooke è compatibile con le leggi di Newton sull'equilibrio statico. Insieme, consentono di dedurre la relazione tra deformazione e stress per oggetti complessi in termini di materiali intrinseci delle proprietà di cui è fatta. Ad esempio, si può dedurre che un'asta omogenea con sezione trasversale uniforme si comporterà come una semplice molla una volta allungata, con una rigidità (K) direttamente proporzionale alla sua area della sezione trasversale e inversamente proporzionale alla sua lunghezza.
Un'altra cosa interessante della legge di Hooke è che è un perfetto esempio della Prima Legge della Termodinamica. Ogni molla, quando compressa o estesa, conserva quasi perfettamente l'energia applicata ad essa. L'unica energia persa è dovuta all'attrito naturale.
Inoltre, la legge di Hooke contiene al suo interno una funzione periodica ondulata. Una molla rilasciata da una posizione deformata tornerà alla sua posizione originale con forza proporzionale ripetutamente in una funzione periodica. La lunghezza d'onda e la frequenza del movimento possono anche essere osservate e calcolate.
La moderna teoria dell'elasticità è una variazione generalizzata della legge di Hooke, secondo cui la deformazione / deformazione di un oggetto o materiale elastico è proporzionale allo stress ad esso applicato. Tuttavia, poiché le sollecitazioni e le deformazioni generali possono avere più componenti indipendenti, il "fattore di proporzionalità" potrebbe non essere più un singolo numero reale.
Un buon esempio di ciò sarebbe quando si tratta di vento, in cui lo stress applicato varia in intensità e direzione. In casi come questi, è meglio utilizzare una mappa lineare (alias un tensore) che può essere rappresentata da una matrice di numeri reali anziché da un singolo valore.
Se ti è piaciuto questo articolo ce ne sono molti altri che ti piaceranno su Space Magazine. Ecco uno dei contributi di Sir Isaac Newton ai numerosi campi della scienza. Ecco un articolo interessante sulla gravità.
Ci sono anche alcune grandi risorse online, come questa lezione sulla Legge di Hooke che puoi guardare su academicearth.org. C'è anche una grande spiegazione dell'elasticità su howstuffworks.com.
Puoi anche ascoltare l'episodio 138, Meccanica quantistica del cast di astronomia per ulteriori informazioni.
fonti:
Hyperphysics
Fisica 24/7
