แรงยืดหยุ่นเป็นแรงที่ว่าออกแรงวัตถุที่จะต่อต้านการเปลี่ยนแปลงในรูปร่างของมัน มันปรากฏตัวในวัตถุที่มีแนวโน้มที่จะคืนรูปร่างเมื่ออยู่ภายใต้การกระทำของแรงที่ทำให้เสียรูป
แรงยืดหยุ่นเรียกอีกอย่างว่าแรงคืนสภาพเนื่องจากต่อต้านการเปลี่ยนรูปเพื่อทำให้วัตถุกลับสู่ตำแหน่งสมดุล การถ่ายโอนแรงยืดหยุ่นจะผ่านอนุภาคที่ประกอบขึ้นเป็นวัตถุ
แรงยืดหยุ่นของสปริง
ตัวอย่างเช่นเมื่อสปริงโลหะถูกบีบอัดจะมีแรงผลักดันอนุภาคของสปริงทำให้การแยกระหว่างกันลดลงในขณะเดียวกันอนุภาคก็ต่อต้านการถูกผลักโดยออกแรงที่ตรงกันข้ามกับการบีบอัด
หากแทนที่จะบีบอัดสปริงกลับดึงยืดอนุภาคที่ประกอบเป็นสปริงจะแยกออกมากขึ้น ในทำนองเดียวกันอนุภาคต่อต้านการถูกแยกออกจากกันโดยออกแรงที่ตรงกันข้ามกับการยืด
วัตถุที่มีคุณสมบัติในการคืนรูปร่างเดิมโดยต่อต้านแรงเปลี่ยนรูปเรียกว่าวัตถุยืดหยุ่น สปริงแถบยางและสายบันจี้จัมเป็นตัวอย่างของวัตถุยืดหยุ่น
แรงยืดหยุ่นคืออะไร?
แรงยืดหยุ่น ( F k ) คือแรงที่วัตถุออกแรงเพื่อคืนสภาพสมดุลตามธรรมชาติหลังจากได้รับผลกระทบจากแรงภายนอก
ในการวิเคราะห์แรงยืดหยุ่นระบบมวลสปริงในอุดมคติจะถูกนำมาพิจารณาซึ่งประกอบด้วยสปริงที่วางในแนวนอนซึ่งติดอยู่ที่ปลายด้านหนึ่งกับผนังและอีกด้านหนึ่งกับบล็อกของมวลเล็กน้อย แรงอื่น ๆ ที่กระทำต่อระบบเช่นแรงเสียดทานหรือแรงโน้มถ่วงจะไม่ถูกนำมาพิจารณา
หากมีการใช้แรงในแนวนอนกับมวลพุ่งไปที่ผนังจะถูกถ่ายโอนไปยังสปริงโดยบีบอัด สปริงจะเคลื่อนจากตำแหน่งสมดุลไปยังตำแหน่งใหม่ ในขณะที่วัตถุมีแนวโน้มที่จะคงอยู่ในสภาวะสมดุลแรงยืดหยุ่นในสปริงที่ต่อต้านแรงที่กระทำจะแสดงออกมา
การกระจัดบ่งบอกว่าสปริงเสียรูปไปเท่าใดและแรงยืดหยุ่นเป็นสัดส่วนกับการกระจัดนั้น เมื่อสปริงถูกบีบอัดความแปรผันของตำแหน่งจะเพิ่มขึ้นและส่งผลให้แรงยืดหยุ่นเพิ่มขึ้น
ยิ่งสปริงถูกบีบอัดมากเท่าไหร่ก็จะยิ่งออกแรงต่อต้านมากขึ้นจนกว่าจะถึงจุดที่แรงที่กระทำและแรงยืดหยุ่นสมดุลระบบมวลสปริงจึงหยุดเคลื่อนที่ เมื่อคุณหยุดใช้แรงแรงเดียวที่กระทำคือแรงยืดหยุ่น แรงนี้จะเร่งสปริงในทิศทางตรงกันข้ามกับการเปลี่ยนรูปจนกว่าจะกลับสู่สภาวะสมดุล
สิ่งเดียวกันนี้เกิดขึ้นเมื่อยืดสปริงดึงมวลในแนวนอน สปริงถูกยืดออกและออกแรงทันทีตามสัดส่วนกับการกระจัดที่ตรงข้ามกับการยืด
สูตร
สูตรแรงยืดหยุ่นแสดงโดยกฎของฮุค กฎนี้ระบุว่าแรงยืดหยุ่นเชิงเส้นที่กระทำโดยวัตถุนั้นเป็นสัดส่วนกับการกระจัด
F k = -k.Δ วินาที
F k = แรงยืดหยุ่น
กฎหมายของฮุค แรงยืดหยุ่นตามสัดส่วนการยืด
เครื่องหมายลบในสมการแสดงว่าแรงยืดหยุ่นของสปริงอยู่ในทิศทางตรงกันข้ามกับแรงที่ทำให้เกิดการกระจัด ค่าคงที่ของสัดส่วน k เป็นค่าคงที่ขึ้นอยู่กับชนิดของวัสดุที่ใช้ทำสปริง หน่วยของค่าคงที่ k คือ N / m
วัตถุยืดหยุ่นมีขีดจำกัดความยืดหยุ่นซึ่งจะขึ้นอยู่กับค่าคงที่ของการเสียรูป หากยืดเกินขีด จำกัด ยางยืดจะทำให้เสียรูปอย่างถาวร
สมการ y ใช้กับการกระจัดเล็ก ๆ ของสปริง เมื่อกระจัดที่มีมากขึ้นแง่ที่มีอำนาจมากขึ้นของΔ x มีการเพิ่ม
พลังงานจลน์และพลังงานศักย์หมายถึงแรงยืดหยุ่น
แรงยืดหยุ่นทำงานบนสปริงโดยเคลื่อนไปยังตำแหน่งสมดุล ในระหว่างกระบวนการนี้พลังงานศักย์ของระบบมวลสปริงจะเพิ่มขึ้น พลังงานศักย์เนื่องจากงานที่ทำโดยแรงยืดหยุ่นจะแสดงในสมการ
พลังงานศักย์แสดงเป็นจูล (J)
เมื่อไม่ใช้แรงเปลี่ยนรูปสปริงจะเร่งความเร็วเข้าหาตำแหน่งสมดุลลดพลังงานศักย์และเพิ่มพลังงานจลน์
พลังงานจลน์ของระบบสปริงมวลเมื่อถึงตำแหน่งสมดุลถูกกำหนดโดยสมการ
ค่าคงที่ของสปริง k คือ 35N / m
ใช้แรง 1.75 นิวตันในการทำให้สปริงเสียรูป 5 ซม.
ค่าคงที่การเบี่ยงเบนของสปริงที่ยืดออกไป 20 ซม. โดยการกระทำของแรง 60N คือเท่าใด?
ค่าคงที่ของสปริงคือ 300N / m
การได้รับพลังงานศักย์
อะไรคือพลังงานศักย์ที่อ้างถึงงานที่ทำโดยแรงยืดหยุ่นของสปริงที่บีบอัด 10 ซม. และค่าคงที่ของการเสียรูปคือ 20N / m?
แรงยืดหยุ่นของสปริงคือ -200N
แรงนี้ทำงานกับสปริงเพื่อเคลื่อนไปยังตำแหน่งสมดุล การทำงานนี้จะเพิ่มพลังงานศักย์ของระบบ
พลังงานศักย์คำนวณด้วยสมการ
อ้างอิง
- Kittel, C, Knight, WD และ Ruderman, M A. Mechanics สหรัฐอเมริกา: Mc Graw Hill, 1973, Vol.
- Rama Reddy, K, Badami, SB และ Balasubramanian, V. Oscillations and Waves อินเดีย: Universities Press, 1994
- Murphy, J. Physics: การให้ความสำคัญกับคุณสมบัติของสสารและพลังงาน นิวยอร์ก: สำนักพิมพ์เพื่อการศึกษาของ Britannica, 2015
- Giordano, N J. College Physics: การใช้เหตุผลและความสัมพันธ์ แคนาดา: Brooks / Cole, 2009
- Walker, J, Halliday, D และ Resnick, R. Fundamentals of Physics สหรัฐอเมริกา: Wiley, 2014