De lente is een wonder van menselijke techniek en creativiteit. Deze functies zorgen op hun beurt voor de creatie van vele door de mens gemaakte objecten, waarvan de meeste tijdens de late 17e en 18e eeuw zijn ontstaan als onderdeel van de wetenschappelijke revolutie.
Als een elastisch object dat wordt gebruikt om mechanische energie op te slaan, zijn de toepassingen voor hen uitgebreid, waardoor zaken als ophangsystemen voor auto's, pendelklokken, handscharen, opwindspeelgoed, horloges, rattenvallen, digitale microspiegels en natuurlijk mogelijk zijn , de Slinky.
Zoals zoveel andere apparaten die door de eeuwen heen zijn uitgevonden, is een basiskennis van de mechanica vereist voordat deze zo algemeen kan worden gebruikt. In termen van veren betekent dit het begrijpen van de wetten van elasticiteit, torsie en kracht die een rol spelen - die samen bekend staan als de wet van Hooke.
De wet van Hooke is een natuurkundig principe dat stelt dat de kracht die nodig is om een veer over een bepaalde afstand uit of in te drukken evenredig is met die afstand. De wet is genoemd naar de 17e-eeuwse Britse natuurkundige Robert Hooke, die de relatie tussen de op een veer uitgeoefende krachten en de veerkracht wilde aantonen.
Hij verklaarde de wet voor het eerst in 1660 als een Latijns anagram en publiceerde de oplossing vervolgens in 1678 als ut tensio, sic vis - wat vertaald betekent: "als de extensie, dus de kracht" of "de extensie is evenredig met de kracht").
Dit kan wiskundig worden uitgedrukt als F = -kX, waar F is de kracht die op de veer wordt uitgeoefend (in de vorm van spanning of spanning); X is de verplaatsing van de veer, met een negatieve waarde die aantoont dat de verplaatsing van de veer eenmaal uitgerekt is; en k is de veerconstante en geeft aan hoe stijf hij is.
De wet van Hooke is het eerste klassieke voorbeeld van een verklaring van elasticiteit - wat de eigenschap is van een object of materiaal waardoor het na vervorming in zijn oorspronkelijke vorm wordt hersteld. Dit vermogen om terug te keren naar een normale vorm na het ervaren van vervorming kan een "herstellende kracht" worden genoemd. Begrepen in termen van de wet van Hooke, is deze herstellende kracht over het algemeen evenredig met de hoeveelheid ervaren 'rek'.
Naast het regelen van het gedrag van veren, is de wet van Hooke ook van toepassing in veel andere situaties waarin een elastisch lichaam wordt vervormd. Deze kunnen van alles zijn, van het opblazen van een ballon en het trekken aan een rubberen band tot het meten van de hoeveelheid windkracht die nodig is om een hoog gebouw te laten buigen en slingeren.
Deze wet heeft veel belangrijke praktische toepassingen gehad, waaronder het creëren van een balanswiel, dat de creatie van de mechanische klok, het draagbare uurwerk, de veerschaal en de manometer (ook bekend als de manometer) mogelijk heeft gemaakt. Omdat het een goede benadering is van alle vaste lichamen (zolang de vervormingskrachten klein genoeg zijn), zijn ook tal van takken van wetenschap en techniek dank verschuldigd aan Hooke voor het bedenken van deze wet. Deze omvatten de disciplines seismologie, moleculaire mechanica en akoestiek.
Zoals de meeste klassieke mechanica werkt Hooke's Law echter alleen binnen een beperkt referentiekader. Omdat geen enkel materiaal kan worden gecomprimeerd boven een bepaalde minimale grootte (of uitgerekt tot een maximale grootte) zonder enige permanente vervorming of verandering van toestand, is het slechts van toepassing zolang er een beperkte hoeveelheid kracht of vervorming bij betrokken is. In feite zullen veel materialen merkbaar afwijken van de wet van Hooke, lang voordat die elastische limieten worden bereikt.
Toch is de Wet van Hooke in zijn algemene vorm verenigbaar met de wetten van Newton over statisch evenwicht. Samen maken ze het mogelijk om de relatie tussen spanning en spanning voor complexe objecten af te leiden in termen van de intrinsieke materialen van de eigenschappen waarvan het is gemaakt. Men kan er bijvoorbeeld uit afleiden dat een homogene staaf met uniforme doorsnede zich als uitgerekt gedraagt als een eenvoudige veer, met een stijfheid (k) recht evenredig met zijn dwarsdoorsnedeoppervlak en omgekeerd evenredig met zijn lengte.
Een ander interessant aspect van de wet van Hooke is dat het een perfect voorbeeld is van de eerste wet van de thermodynamica. Elke veer die gecomprimeerd of verlengd is, spaart bijna perfect de energie die erop wordt toegepast. De enige energie die verloren gaat, is te wijten aan natuurlijke wrijving.
Bovendien bevat de wet van Hooke een golfachtige periodieke functie. Een veer die wordt losgelaten uit een vervormde positie, keert herhaaldelijk terug naar de oorspronkelijke positie met proportionele kracht in een periodieke functie. De golflengte en frequentie van de beweging kunnen ook worden waargenomen en berekend.
De moderne theorie van elasticiteit is een algemene variatie op de wet van Hooke, die stelt dat de rek / vervorming van een elastisch object of materiaal evenredig is met de spanning die erop wordt uitgeoefend. Aangezien algemene spanningen en spanningen echter meerdere onafhankelijke componenten kunnen hebben, is de "evenredigheidsfactor" mogelijk niet langer slechts één reëel getal.
Een goed voorbeeld hiervan zou zijn bij het omgaan met wind, waarbij de toegepaste spanning varieert in intensiteit en richting. In dergelijke gevallen is het het beste om een lineaire kaart (ook bekend als een tensor) te gebruiken die kan worden weergegeven door een matrix van reële getallen in plaats van een enkele waarde.
Als je dit artikel leuk vond, zijn er verschillende andere waarvan je zult genieten op Space Magazine. Hier is er een over de bijdragen van Sir Isaac Newton aan de vele wetenschapsgebieden. Hier is een interessant artikel over zwaartekracht.
Er zijn ook enkele geweldige bronnen online, zoals deze lezing over de wet van Hooke die je kunt bekijken op academicearth.org. Er is ook een geweldige uitleg over elasticiteit op howstuffworks.com.
Je kunt ook luisteren naar aflevering 138, Quantum Mechanics from Astronomy Cast voor meer informatie.
Bronnen:
Hyperfysica
Fysica 24/7
