Билет 10

Билет 10

Си́ла упру́гости — сила, возникающая при деформации тела и противодействующая этой деформации.

Сила упругости имеет электромагнитную природу, являясь макроскопическим проявлением межмолекулярного взаимодействия. В простейшем случае растяжения/сжатия тела сила упругости направлена противоположно смещению частиц тела, перпендикулярно поверхности.

Деформа́ция — изменение взаимного положения частиц тела, связанное с их перемещением относительно друг друга.

Наиболее простые виды деформации тела в целом:

В большинстве практических случаев наблюдаемая деформация представляет собой совмещение нескольких одновременных простых деформаций. В конечном счёте, однако, любую деформацию можно свести к двум наиболее простым: растяжению (или сжатию) и сдвигу.

Растяжение-сжатие — вид продольной деформации стержня или бруса, возникающий в том случае, когда нагрузка прикладывается по продольной оси стержня и проходит через его центр масс.

Сдвиг — вид продольной деформации бруса, возникающий в том случае, если сила прикладывается касательно его поверхности (при этом нижняя часть бруска закреплена неподвижно).

Изгиб — вид деформации, при котором происходит искривление осей прямых брусьев или изменение кривизны осей кривых брусьев.

Кручение —вид деформации тела, возникающий в том случае, если нагрузка прикладывается к телу в виде пары сил (момента) в его поперечной плоскости. При этом в поперечных сечениях тела возникает только один внутренний силовой фактор —крутящий момент.

Упругая деформация — деформация, исчезающая после прекращения действий внешних сил. При этом тело принимает первоначальные размеры и форму.

Пластическая деформация — деформация, не исчезающая или исчезающая не полностью после прекращения действий внешних сил.

Механическое напряжение — это векторная физическая величина, мера внутренних сил, возникающих в деформируемом теле, под влиянием различных факторов.

Зако́н Гу́ка — уравнение теории упругости, связывающее напряжение и деформацию упругой среды.

Сила упругости, возникающая в теле при его деформации, прямо пропорциональна величине этой деформации.

Для тонкого растяжимого стержня закон Гука имеет вид:

Коэффициент упругости (размерность L 0 MT -2 ) зависит как от свойств материала, так и от размеров стержня. Можно выделить зависимость от размеров стержня (площади поперечного сечения и длины ) явно, записав коэффициент упругости как

Модуль Юнга (модуль упругости) — физическая величина, характеризующая свойства материала сопротивляться растяжению/сжатию при упругой деформации. Назван в честь английского физика XIX века Томаса Юнга. В динамических задачах механики модуль Юнга рассматривается в более общем смысле — как функционал среды и процесса. В Международной системе единиц (СИ) измеряется в ньютонах на метр в квадрате или в паскалях.

Модуль Юнга рассчитывается следующим образом:

Если ввести относительное удлинение

и нормальное напряжение в поперечном сечении

то закон Гука для относительных величин запишется как

В такой форме он справедлив для любых малых объёмов материала.

Также при расчёте прямых стержней применяют запись закона Гука в относительной форме

Коэффициент Пуассона (обозначается как или ) — абсолютная величина отношения поперечной и продольной относительной деформации образца материала. Этот коэффициент зависит не от размеров тела, а от природы материала, из которого изготовлен образец.

,

— коэффициент Пуассона;

— деформация в поперечном направлении (отрицательна при осевом растяжении, положительна при осевом сжатии);

— продольная деформация (положительна при осевом растяжении, отрицательна при осевом сжатии).

При приложении к телу растягивающего усилия оно начинает удлиняться (то есть продольная длина увеличивается), а поперечное сечение уменьшается. Коэффициент Пуассона показывает, во сколько раз поперечная деформация деформируемого тела больше продольной деформации, при его растяжении или сжатии. Для абсолютно хрупкого материала коэффициент Пуассона равен 0, для абсолютно несжимаемого — 0,5. Для большинства сталей этот коэффициент лежит в районе 0,3, для резины он примерно равен 0,5.

Пружина

Пружина — упругий элемент, предназначенный для накапливания и поглощения механической энергии. Пружина может быть изготовлена из любого материала, имеющего достаточно высокие прочностные и упругие свойства (сталь, пластмасса, дерево, фанера, даже картон).

Стальные пружины общего назначения изготавливают из высокоуглеродистых сталей (У9А-У12А, 65, 70), легированных марганцем, кремнием, ванадием (65Г, 60С2А, 65С2ВА). Для пружин, работающих в агрессивных средах, применяют нержавеющую сталь (12Х18Н10Т), бериллиевую бронзу (БрБ-2), кремнемарганцевую бронзу (БрКМц3-1), оловянноцинковую бронзу (БрОЦ-4-3).
Небольшие пружины можно навивать из готовой проволоки, в то время как мощные изготавливаются из отожжённой стали и закаляются уже после формовки.

Содержание

Виды пружин

По виду воспринимаемой нагрузки:

• пружины сжатия;
• пружины растяжения;
• пружины кручения;
• пружины изгиба.

Пружины растяжения — рассчитаны на увеличение длины под нагрузкой. В ненагруженном состоянии обычно имеют сомкнувшиеся витки. На концах для закрепления пружины на конструкции имеются крючки или кольца.

Пружины сжатия — рассчитаны на уменьшение длины под нагрузкой. Витки таких пружин без нагрузки не касаются друг друга. Концевые витки поджимают к соседним и торцы пружины шлифуют. Длинные пружины сжатия, во избежание потери устойчивости, ставят на оправки или стаканы.

Также пружина Бурдона — трубчатая пружина в манометрах для измерения давления, играющая роль чувствительного элемента.

Витки пружин растяжения-сжатия под действием постоянной по величине силы испытывают напряжения двух видов: изгиба и кручения.

Пружины кручения — могут быть двух видов:

— стержень, работающий на кручение (имеет большую длину, чем витая пружина)
• витые пружины, работающие на кручение (как в бельевых прищепках, в мышеловках и в канцелярских дыроколах).

По конструкции:

• витые цилиндрические (винтовые);
• витые конические (амортизаторы); (в балансе часов);
• плоские;
• пластинчатые (например, рессоры);
• тарельчатые; ; ; .

Характеристики пружин

Для витых цилиндрических и конических:

• количество витков
• шаг витка
• диаметр проволоки
• предельно воспринимаемая нагрузка

Теория

С точки зрения классической физики, пружину можно рассматривать как устройство, накапливающее потенциальную энергию путём изменения расстояния между атомами эластичного материала.

В теории упругости законом Гука установлено, что растяжение эластичного стержня пропорционально приложенной к нему силе, направленной вдоль его оси. В реальности этот закон выполняется не точно, а только при малых растяжениях и сжатиях. Если напряжение превышает определённый предел (предел текучести) в материале наступают необратимые нарушения его структуры, и деталь разрушается или получает необратимую деформацию. Следует отметить, что многие реальные материалы не имеют чётко обозначенного предела текучести, и закон Гука к ним неприменим. В таком случае, для материала устанавливается условный предел текучести.

Витые металлические пружины преобразуют деформацию сжатия/растяжения пружины в деформацию кручения материала из которого она изготовлена, и наоборот, деформацию кручения пружины в деформацию растяжения и изгиба металла, многократно усиливая коэффициент упругости за счёт увеличения длины проволоки противостоящей внешнему воздействию.

Коэффициент жёсткости

Витая цилиндрическая пружина сжатия или растяжения, намотанная из цилиндрической проволоки и упруго деформируемая вдоль оси, имеет коэффициент жёсткости

• Детали машин и механизмов

Wikimedia Foundation . 2010 .

Полезное

Смотреть что такое «Пружина» в других словарях:

ПРУЖИНА — Процессы формирования отвлеченных значений у слов, которые вместе с тем служат обозначениями конкретно бытовых предметов, недостаточно изучены. Они различны в разные периоды развития языка. Самые принципы аналогических соответствий,… … История слов

пружина — См. способ. Словарь русских синонимов и сходных по смыслу выражений. под. ред. Н. Абрамова, М.: Русские словари, 1999. пружина причина, способ; рессора; пендельфедер, спираль, двигатель, рычаг, движущая сила, пружинка … Словарь синонимов

ПРУЖИНА — ПРУЖИНА, пружины, жен. 1. Согнутая спиралью (или иной формы) стальная полоса, вследствие своей эластичности и упругости легко принимающая прежний вид после растягивания или сжимания и используемая как источник механической сил, как приспособление … Толковый словарь Ушакова

ПРУЖИНА — ПРУЖИНА, ы, жен. 1. Упругая узкая металлическая пластина или нить, согнутая преимущ. спиралью. Витая (винтовая) п. Кольцевая п. Часовая п. Пружина матраца. Как на пружинах (об энергичных, пружинистых движениях; разг.). 2. перен. Движущая сила в… … Толковый словарь Ожегова

ПРУЖИНА — деталь машины или механизма для поглощения, накопления и отдачи накопленной механической энергии при упругом деформировании, после чего пружина восстанавливает свою первоначальную форму. П. изготавливают из специальной пружинной стали с высокими… … Большая политехническая энциклопедия

ПРУЖИНА — деталь машины или механизма для поглощения, накопления и отдачи механической энергии при своем деформировании. Различают пружины изгиба, кручения, растяжения (сжатия); бывают цилиндрические, конические, тарельчатые, кольцевые, пластинчатые и др … Большой Энциклопедический словарь

ПРУЖИНА — ПРУЖИНА, механическое приспособление, представляющее собою свернутую спиралью проволоку или стержень из упругого материала (преимущественно металла), которое можно сжимать, растягивать или сгибать. Пружины используются для накопления или… … Научно-технический энциклопедический словарь

Пружина — (иноск.) дѣйствующая сила (основная причина явленія). Ср. Въ преобразованіи нашихъ судовъ. Зарудный и былъ главной дѣйствующей пружиной, и маховымъ колесомъ. А. Ф. Кони. Памяти С. И. Заруднаго (въ год. собраніи Юрид. Общ. 1899 г.) Ср. Она… … Большой толково-фразеологический словарь Михельсона (оригинальная орфография)

ПРУЖИНА — упругая деталь, получаемая путем навивания проволоки, прутка или полосы на специальном станке и служащая для смягчения толчков и ударов или в качестве самостоятельной детали для осуществления нагрузки, увеличивающейся с увеличением прогиба П.… … Технический железнодорожный словарь

пружина — Упругая пластина или устройство для фиксации положения стрелы (болта) перед метанием из арбалета. [ГОСТ Р 51549 2000] Тематики оружие холодное … Справочник технического переводчика

Как обозначается растяжение пружины в физике

Формула жесткости пружины – едва ли не самый важный момент в теме об этих упругих элементах. Ведь именно жесткость играет очень важную роль в том, благодаря чему эти комплектующие используются так широко.

Сегодня без пружин не обходится практически ни одна отрасль промышленности, они используются в приборо- и станкостроении, сельском хозяйстве, производстве горно-шахтного и железнодорожного оборудования, энергетике, других отраслях. Они верой и правдой служат в самых ответственных и критических местах различных агрегатов, где требуются присущие им характеристики, в первую очередь жесткость пружины, формула которой в общем виде очень проста и знакома детям еще со школы.

Особенности работы

Любая пружина представляет собой упругое изделие, которое в процессе эксплуатации подвергается статическим, динамическим и циклическим нагрузкам. Основная особенность этой детали – она деформируется под приложенным извне усилием, а когда воздействие прекращается – восстанавливает свою первоначальную форму и геометрические размеры. В период деформации происходит накопление энергии, при восстановлении – ее передача.

Именно это свойство возвращаться к исходному виду и принесло широкое распространение этим деталям: они отличные амортизаторы, элементы клапанов, предупреждающие превышение давления, комплектующие для измерительных приборов. В этих и других ситуациях, благодаря умению упруго деформироваться, они выполняют важную работу, поэтому от них требуется высокое качество и надежность.

Виды пружин

Видов этих деталей существует много, самыми распространенными являются пружины растяжения и сжатия.

• Первые из них без нагрузки имеют нулевой шаг, то есть виток соприкасается с витком. В процессе деформации они растягиваются, их длина увеличивается. Прекращение нагрузки сопровождается возвращением в первоначальную форму – опять витком к витку.
• Вторые – наоборот, изначально навиваются с определенным шагом между витками, под нагрузкой сжимаются. Соприкосновение витков является естественным ограничителем для продолжения воздействия.

Изначально именно для пружины растяжения было найдено соотношение массы подвешенного на ней груза и изменения ее геометрического размера, которое и стало основой для формулы жесткости пружины через массу и длину.

Какие еще бывают виды пружин

Зависимость деформации от прилагаемой внешней силы справедлива и для других видов упругих деталей: кручения, изгиба, тарельчатых, других. Не важно, в какой плоскости к ним прилагаются усилия: в той, где расположена осевая линия, или перпендикулярной к ней, производимая деформация пропорциональна усилию, под воздействием которого она произошла.

Основные характеристики

Независимо от вида пружин, особенности их работы, связанные с постоянно деформацией, требуют наличия таких параметров:

• Способности сохранять постоянное значение упругости в течение заданного срока.
• Пластичности.
• Релаксационной стойкости, благодаря которой деформации не становятся необратимыми.
• Прочности, то есть способности выдерживать различные виды нагрузок: статические, динамические, ударные.

Каждая из этих характеристик важна, однако при выборе упругой комплектующей для конкретной работы в первую очередь интересуются ее жесткостью как важным показателем того, подойдет ли она для этого дела и насколько долго будет работать.

Что такое жесткость

Жесткость – это характеристика детали, которая показывает, просто или легко будет ее сжать, насколько большую силу нужно для этого приложить. Оказывается, что возникающая под нагрузкой деформация тем больше, чем больше прилагаемая сила (ведь возникающая в противовес ей сила упругости по модулю имеет то же значение). Потому определить степень деформации можно, зная силу упругости (прилагаемое усилие) и наоборот, зная необходимую деформацию, можно вычислить, какое требуется усилие.

Физические основы понятия жесткость/упругость

Сила, воздействуя на пружину, изменяет ее форму. Например, пружины растяжения/сжатия под влиянием внешнего воздействия укорачиваются или удлиняются. Согласно закону Гука (так называется позволяющая рассчитать коэффициент жесткости пружины формула), сила и деформация между собой пропорциональны в пределах упругости конкретного вещества. В противодействие приложенной извне нагрузке возникает сила, такая же по величине и противоположная по знаку, которая направлена на восстановление исходных размеров детали и ее форму.

Природа этой силы упругости – электромагнитная, возникает она как следствие особого взаимодействии между структурными элементами (молекулами и атомами) материала, из которого изготовлена данная деталь. Таким образом, чем жесткость больше, то есть чем труднее упругую деталь растянуть/сжать, тем больше коэффициент упругости. Этот показатель используется, в частности, при выборе определенного материала для изготовления пружин для использования в различных ситуациях.

Как появился первый вариант формулы

Формула для расчета жесткости пружины, которая получила название закона Гука, была установлена экспериментально. В процессе опытов с подвешенными на упругом элементе грузами разной массы замерялась величина его растяжения. Так и выяснилось, что одна и та же испытуемая деталь под разными нагрузками претерпевает различные деформации. Причем подвешивание определенного количества гирек, одинаковых по массе, показало, что каждая добавленная/снятая гирька увеличивает/уменьшает длину упругого элемента на одинаковую величину.

В итоге этих экспериментов появилась такая формула: kx=mg, где k – некий постоянный для данной пружины коэффициент, x – изменение длины пружины, m – ее масса, а g – ускорение свободного падения (примерное значение – 9,8 м/с²).

Так было открыто свойство жесткости, которое, как и формула для определения коэффициента упругости, находит самое широкое применение в любой отрасли промышленности.

Формула определения жесткости

Изучаемая современными школьниками формула, как найти коэффициент жесткости пружины, представляет собой соотношение силы и величины, показывающей изменение длины пружины в зависимости от величины данного воздействия (или

равной ему по модулю силы упругости). Выглядит эта формула так: F = –kx. Из этой формулы коэффициент жесткости упругого элемента равен отношению силы упругости к изменению его длины. В международной системе единиц физических величин СИ он измеряется в ньютонах на метр (Н/м).

Другой вариант записи формулы: коэффициент Юнга

Деформация растяжения/сжатия в физике также может описываться несколько видоизмененным законом Гука. Формула включает значения относительной деформации (отношения изменения длины к ее начальному значению) и напряжения (отношения силы к площади поперечного сечения детали). Относительная деформация и напряжение по этой формуле пропорциональны, а коэффициент пропорциональности – величина, обратная модулю Юнга.

Модуль Юнга интересен тем, что определяется исключительно свойствами материала, и никак не зависит ни от формы детали, ни от ее размеров.

К примеру, модуль Юнга для ста

ли примерно равен единице с одиннадцатью нулями (единица измерения – Н/кв. м).

Смысл понятия коэффициент жесткости

Коэффициент жесткости – коэффициент пропорциональности из закона Гука. Еще он с полным правом называется коэффициентом упругости.

Фактически он показывает величину силы, которая должна быть приложена к упругому элементу, чтобы изменить его длину на единицу (в используемой системе измерений).

Значение этого параметра зависит от нескольких факторов, которыми характеризуется пружина:

• Материала, используемого при ее изготовлении.
• Формы и конструктивных особенностей.
• Геометрических размеров.

По этому показателю можно сд

елать вывод, насколько изделие устойчиво к воздействию нагрузок, то есть каким будет его сопротивление при приложении внешнего воздействия.

Особенности расчета пружин

Показывающая, как найти жесткость пружины, формула, наверное, одна из наиболее используемых современными конструкторами. Ведь применение эти упругие детали находят практически везде, то есть требуется просчитывать их поведение и выбирать те из них, которые будут идеально справляться с возложенными обязанностями.

Закон Гука весьма упрощенно показывает зависимость деформации упругой детали от прилагаемого усилия, инженерами используются более точные формулы расчета коэффициента жесткости, учитывающие все особенности происходящего процесса.

• Цилиндрическую витую пружину современная инженерия рассматривает как спираль из проволоки с круглым сечением, а ее деформация под воздействием существующих в системе сил представляется совокупностью элементарных сдвигов.
• При деформации изгиба в качестве деформации рассматривается прогиб стержня, расположенного концами на опорах.

Особенности расчета жесткости соединений пружин

Важный моментом является расчет нескольких упругих элементов, соединенных последовательно или параллельно.

При параллельном расположении нескольких деталей общая жесткость этой системы определяется простой суммой коэффициентов отдельных комплектующих. Как нетрудно заметить, жесткость системы больше, чем отдельной детали.

При последовательном расположении формула более сложная: величина, обратная суммарной жесткости, равна сумме величин, обратных к жесткости каждой комплектующей. В этом варианте сумма меньше слагаемых.

Используя эти зависимости, легко определиться с правильным выбором упругих комплектующих для конкретного случая.

Как найти удлинение пружины?

Эта формула, а точнее закон Гука, выглядит так: F=|kx|, где k – это коэффициент упругости пружины, x – это удлинение пружины или же, как её ещё называют, величина деформации пружины.

Как найти растяжение пружины зная массу?

Она рассчитывается по формуле: F = mg, где м является массой используемого груза (вес переводится в килограммы), а g (равен 9,8) — постоянная величина, с помощью которой отмечается ускорение свободного падения.

Как найти упругость пружины?

Определение коэффициента жесткости растяжения

Измеряется длина пружины с подвешенным грузом – L2. Если взять груз массой 100гр., то он будет воздействовать силой в 1Н (Ньютон) – величина F; Вычисляется разница между последним и первым показателем длины – L; Рассчитывается коэффициент упругости по формуле: k = F/L.

Как найти длину пружины в недеформированном состоянии?

Эта зависимость выражается формулой F(l) = k|l – l0|, где l0 — длина пружины в недеформированном состоянии. График полученной зависимости приведён на рисунке. Выберите два утверждения, которые соответствуют результатам опыта. 1) Под действием силы, равной 6 Н, пружина разрушается.

Что такое удлинение пружины?

Таким образом, можно предположить, что (модуль силы упругости прямо пропорционален удлинению пружины. Удлинением пружины называют разность между длиной растянутой пружины и длиной недеформированной пружины.

Как найти жесткость пружины через массу и время?

В итоге этих экспериментов появилась такая формула: kx=mg, где k – некий постоянный для данной пружины коэффициент, x – изменение длины пружины, m – ее масса, а g – ускорение свободного падения (примерное значение – 9,8 м/с²).

Как найти растяжение пружины физика?

Определение коэффициента жесткости растяжения

1. Измеряется длина пружины в вертикальном подвесе с одной свободной стороной изделия – L1;
2. Измеряется длина пружины с подвешенным грузом – L2. …
3. Вычисляется разница между последним и первым показателем длины – L;
4. Рассчитывается коэффициент упругости по формуле: k = F/L.

Как вычислить жесткость пружины 7 класс?

¯F=kΔl(1), где в коэффициент пропорциональности называется жесткостью пружины (коэффициентом упругости) k. Жесткость (как свойство) — это характеристика упругих свойств тела, которое деформируют.

Как определить упругость?

Сила упругости равна жёсткости тела, умноженной на величину деформации. – деформация тела. Единица измерения силы – Н (ньютон).

Как найти коэффициент в законе Гука?

Определим коэффициент упругости: k = F/x = 98 / 0.04 = 2450 Н/м. Рассчитаем, с какой силой действует второй груз: F = mg = 25 · 9.8 = 245 Н. По закону Гука запишем формулу для абсолютного удлинения: x = F/k.

Чему равна жесткость пружины если под действием силы 2 Н она растянулась на 4 см?

Чему равна жесткость пружины, если под действием силы 2Н она растянулась на 4 см? Ответ: 50Н/м.

Что такое жесткость в физике?

Механи́ческая жёсткость (также жёсткость) — способность твёрдого тела, конструкции или её элементов сопротивляться деформации (изменению формы и/или размеров) от приложенного усилия вдоль выбранного направления в заданной системе координат. Обратная к характеристике называется механической податливостью.

Как в физике обозначается жесткость пружины?

Обозначается буквой k, иногда D или c.

Что такое удлинение тела в физике?

Абсолютное удлинение — показывает на сколько изменилась длина тела (увеличилась или уменьшилась). … То есть, длина тела изменилась на 1 метр.

Как найти абсолютное удлинение пружины?

Δℓ = I ℓ−ℓ₀ I- абсолютное удлинение пружины.

Как звучит закон Гука?

В словесной форме закон звучит следующим образом: Сила упругости, возникающая в теле при его деформации, прямо пропорциональна величине этой деформации. — коэффициент упругости (или жёсткости).