Hukum Hooke dan Keanjalan Spring

Tarik spring perlahan-lahan dan panjangnya bertambah. Tambah daya dalam julat yang sesuai, lalu pertambahan panjang juga meningkat secara teratur. Hubungan linear ini dikenali sebagai Hukum Hooke dan menjadi model penting untuk memahami keanjalan serta ayunan.

Daya pemulih menuju keseimbangan

Bagi spring ideal, magnitud daya berkadar dengan sesaran daripada kedudukan keseimbangan. Hubungan itu ditulis sebagai F = -kx untuk daya pemulih. Nilai k ialah pemalar spring, manakala tanda negatif menunjukkan bahawa daya pemulih berarah bertentangan dengan sesaran.

Spring dengan nilai k yang besar lebih sukar diregangkan atau dimampatkan. Unit pemalar spring ialah newton per meter. Jika daya yang dikenakan meningkat secara sekata dan graf daya melawan sesaran kekal sebagai garis lurus, k boleh diperoleh daripada kecerunan graf itu.

Hukum Hooke mempunyai julat penggunaan

Spring sebenar tidak semestinya mematuhi hubungan linear untuk semua regangan. Apabila deformasi menjadi terlalu besar, graf boleh mula melengkung dan bahan boleh mengalami perubahan kekal atau akhirnya patah. Oleh itu, Hukum Hooke ialah model yang sangat berguna dalam julat elastik linear, bukan jaminan bahawa semua bahan sentiasa bertindak secara linear. Istilah had berkadar dan had elastik tidak semestinya merujuk kepada titik yang sama. Had berkadar menandakan penghujung hubungan linear antara daya dan ubah bentuk, manakala had elastik berkaitan dengan kemampuan bahan kembali kepada bentuk asal tanpa ubah bentuk kekal yang ketara. Bagi sesetengah bahan, kedua-dua had ini terletak berhampiran tetapi tidak wajar dianggap sama secara mutlak.

Daripada keanjalan kepada ayunan

Apabila objek pada spring disesarkan lalu dilepaskan, daya pemulih menariknya kembali ke arah keseimbangan. Dalam sistem ideal yang mematuhi Hukum Hooke, hubungan daya yang berkadar dengan sesaran menghasilkan gerakan harmonik ringkas. Dalam dunia sebenar, geseran dan rintangan udara menghilangkan tenaga mekanik sehingga amplitud ayunan beransur-ansur mengecil.

Idea yang sama digunakan untuk tegasan dan terikan

Untuk membandingkan bahan dengan bentuk atau saiz berbeza, jurutera menggunakan tegasan dan terikan. Tegasan menghubungkan daya dengan luas keratan, manakala terikan membandingkan perubahan panjang dengan panjang asal. Dalam rantau elastik linear, nisbah tegasan kepada terikan ditentukan oleh modulus elastik yang sesuai. Pendekatan ini memisahkan sifat bahan daripada geometri objek dengan lebih baik berbanding pemalar spring sahaja.

Spring elastik boleh menyimpan tenaga

Apabila spring linear diregangkan atau dimampatkan, kerja yang dilakukan terhadapnya disimpan sebagai tenaga keupayaan elastik. Kerana daya meningkat secara linear daripada sifar hingga nilai akhirnya, tenaga tersimpan meningkat dengan kuasa dua anjakan. Tenaga ini boleh kembali menjadi tenaga kinetik apabila spring dilepaskan, walaupun sistem sebenar biasanya kehilangan sebahagian tenaga melalui geseran dan redaman.

Bagaimana kita mengetahui hal ini?