الربيع هو أعجوبة الهندسة البشرية والإبداع. تسمح هذه الوظائف بدورها بإنشاء العديد من الأشياء التي صنعها الإنسان ، والتي ظهرت معظمها كجزء من الثورة العلمية خلال أواخر القرنين السابع عشر والثامن عشر.
باعتبارها أداة مرنة تستخدم لتخزين الطاقة الميكانيكية ، فإن التطبيقات الخاصة بها واسعة النطاق ، مما يجعل من الممكن أشياء مثل أنظمة تعليق السيارات ، وساعات البندول ، وشرائط اليد ، وألعاب الريح ، والساعات ، ومصائد الفئران ، وأجهزة الرنين الميكروي الرقمية ، وبالطبع ، فاتنة.
مثل العديد من الأجهزة الأخرى التي تم اختراعها على مر القرون ، فإن الفهم الأساسي للميكانيكا مطلوب قبل استخدامه على نطاق واسع. من حيث الينابيع ، هذا يعني فهم قوانين المرونة والالتواء والقوة التي تدخل حيز التنفيذ - والتي تُعرف معًا باسم قانون هوك.
قانون هوك هو أحد مبادئ الفيزياء التي تنص على أن القوة اللازمة لتمديد أو ضغط الزنبرك بمسافة ما تتناسب مع تلك المسافة. تمت تسمية هذا القانون على اسم الفيزيائي البريطاني روبرت هوك في القرن السابع عشر ، الذي سعى إلى إظهار العلاقة بين القوى المطبقة على الربيع ومرونته.
ذكر القانون لأول مرة في عام 1660 كرمز لاتيني ، ثم نشر الحل في عام 1678 باسم ut tensio، sic vis - التي تُترجم ، تعني "كامتداد ، لذا فإن القوة" أو "الامتداد يتناسب مع القوة").
هذا يمكن التعبير عنه رياضيا باسم F = -KX، أين F هي القوة المطبقة على النابض (إما في شكل إجهاد أو ضغط) ؛ X هو إزاحة الربيع ، مع قيمة سلبية تدل على أن إزاحة الربيع بمجرد شدها ؛ و ك هو ثابت الربيع ويفصل مدى صلابة.
قانون هوكي هو المثال الكلاسيكي الأول لتفسير المرونة - وهو خاصية كائن أو مادة تؤدي إلى استعادتها إلى شكلها الأصلي بعد التشويه. يمكن الإشارة إلى هذه القدرة على العودة إلى الشكل الطبيعي بعد التعرض للتشويه على أنها "قوة استعادة". نظرًا لفهم قانون هوك ، فإن قوة الاستعادة هذه تتناسب بشكل عام مع مقدار "التمدد" الذي تم اختباره.
بالإضافة إلى التحكم في سلوك الينابيع ، ينطبق قانون هوك أيضًا في العديد من المواقف الأخرى حيث يكون الجسم المرن مشوهًا. يمكن أن يشمل ذلك أي شيء من تضخيم البالون وسحب شريط مطاطي إلى قياس كمية قوة الرياح اللازمة لصنع انحناء مبنى مرتفع وتمايله.
كان لهذا القانون العديد من التطبيقات العملية الهامة ، أحدها إنشاء عجلة التوازن ، والتي جعلت من الممكن إنشاء الساعة الميكانيكية ، والساعة المحمولة ، ومقياس الزنبرك ومقياس الضغط (المعروف أيضًا باسم مقياس الضغط). أيضًا ، نظرًا لأنها تقريبًا تقريبًا لجميع الأجسام الصلبة (طالما أن قوى التشوه صغيرة بما يكفي) ، فإن العديد من فروع العلوم والهندسة أيضًا مدينًا لـ Hooke لخروج هذا القانون. وتشمل هذه التخصصات علم الزلازل والميكانيكا الجزيئية والصوتيات.
ومع ذلك ، مثل معظم الميكانيكا الكلاسيكية ، يعمل قانون هوك فقط ضمن إطار مرجعي محدود. لأنه لا يمكن ضغط أي مادة تتجاوز حدًا أدنى معينًا (أو تمتد إلى ما يتجاوز الحد الأقصى للحجم) دون بعض التشوه الدائم أو تغيير الحالة ، فإنها تنطبق فقط طالما كانت هناك كمية محدودة من القوة أو التشوه. في الواقع ، سوف تنحرف العديد من المواد بشكل ملحوظ عن قانون هوك قبل وقت طويل من بلوغ هذه الحدود المرنة.
ومع ذلك ، في شكله العام ، يتوافق قانون هوك مع قوانين نيوتن للتوازن الثابت. معا ، يجعلون من الممكن استنتاج العلاقة بين الإجهاد والتوتر للأجسام المعقدة من حيث المواد الجوهرية للخصائص التي تتكون منها. على سبيل المثال ، يمكن للمرء أن يستنتج أن قضيبًا متجانسًا مع مقطع عرضي موحد سيتصرف مثل زنبرك بسيط عند التمدد ، مع صلابة (ك) يتناسب طرديا مع منطقة المقطع العرضي ويتناسب عكسيا مع طوله.
شيء آخر مثير للاهتمام حول قانون هوك هو أنه مثال مثالي للقانون الأول للديناميكا الحرارية. أي زنبرك عند ضغطه أو تمديده يحافظ بشكل مثالي تقريبًا على الطاقة المطبقة عليه. الطاقة الوحيدة المفقودة هي بسبب الاحتكاك الطبيعي.
بالإضافة إلى ذلك ، يحتوي قانون هوك على وظيفة دورية تشبه الموجة. سيعود الزنبرك المنطلق من وضع مشوه إلى موضعه الأصلي بقوة نسبية بشكل متكرر في وظيفة دورية. يمكن أيضًا ملاحظة الطول الموجي للحركة وترددها وحسابها.
النظرية الحديثة للمرونة هي اختلاف عام في قانون هوك ، والذي ينص على أن إجهاد / تشوه جسم أو مادة مرنة يتناسب مع الضغط المطبق عليه. ومع ذلك ، نظرًا لأن الضغوط والضغوط العامة قد تحتوي على مكونات مستقلة متعددة ، فقد لا يكون "عامل التناسب" مجرد رقم حقيقي واحد.
من الأمثلة الجيدة على ذلك عند التعامل مع الريح ، حيث يختلف الضغط المطبق في شدته واتجاهه. في مثل هذه الحالات ، من الأفضل استخدام خريطة خطية (تعرف أيضًا باسم موتر) يمكن تمثيلها بمصفوفة من الأرقام الحقيقية بدلاً من قيمة واحدة.
إذا استمتعت بهذا المقال ، فهناك العديد من المقالات الأخرى التي ستستمتع بها في مجلة الفضاء. إليك واحدة عن مساهمات السير إسحاق نيوتن في العديد من مجالات العلوم. هنا مقال مثير للاهتمام حول الجاذبية.
هناك أيضًا بعض الموارد الرائعة عبر الإنترنت ، مثل هذه المحاضرة حول قانون هوك التي يمكنك مشاهدتها على Academearth.org. هناك أيضًا تفسير رائع للمرونة على howstuffworks.com.
يمكنك أيضًا الاستماع إلى الحلقة 138 ، ميكانيكا الكم من علم الفلك المصبوب لمزيد من المعلومات.
مصادر:
Hyperphysics
الفيزياء 24/7
