La primavera es una maravilla de la ingeniería humana y la creatividad. Estas funciones a su vez permiten la creación de muchos objetos hechos por el hombre, la mayoría de los cuales surgieron como parte de la Revolución Científica a fines del siglo XVII y XVIII.
Como un objeto elástico utilizado para almacenar energía mecánica, las aplicaciones para ellos son extensas, lo que hace posible cosas como sistemas de suspensión automotriz, relojes de péndulo, visores, juguetes de cuerda, relojes, trampas para ratas, dispositivos digitales de microespejo y, por supuesto, , el Slinky.
Al igual que muchos otros dispositivos inventados a lo largo de los siglos, se requiere una comprensión básica de la mecánica antes de que pueda usarse tan ampliamente. En términos de resortes, esto significa comprender las leyes de elasticidad, torsión y fuerza que entran en juego, que en conjunto se conocen como la Ley de Hooke.
La Ley de Hooke es un principio de la física que establece que la fuerza necesaria para extender o comprimir un resorte en cierta distancia es proporcional a esa distancia. La ley lleva el nombre del físico británico del siglo XVII Robert Hooke, quien intentó demostrar la relación entre las fuerzas aplicadas a un resorte y su elasticidad.
Primero declaró la ley en 1660 como un anagrama latino, y luego publicó la solución en 1678 como ut tensio, sic vis - que traducido significa "como la extensión, entonces la fuerza" o "la extensión es proporcional a la fuerza").
Esto se puede expresar matemáticamente como F = -kX, dónde F es la fuerza aplicada al resorte (ya sea en forma de tensión o tensión); X es el desplazamiento del resorte, con un valor negativo que demuestra que el desplazamiento del resorte una vez que se estira; y k es la constante de primavera y detalla cuán rígida es.
La ley de Hooke es el primer ejemplo clásico de una explicación de la elasticidad, que es la propiedad de un objeto o material que hace que se restaure a su forma original después de la distorsión. Esta capacidad de volver a una forma normal después de experimentar distorsión se puede denominar como una "fuerza restauradora". Entendido en términos de la Ley de Hooke, esta fuerza restauradora es generalmente proporcional a la cantidad de "estiramiento" experimentado.
Además de gobernar el comportamiento de los resortes, la Ley de Hooke también se aplica en muchas otras situaciones en las que se deforma un cuerpo elástico. Estos pueden incluir cualquier cosa, desde inflar un globo y tirar de una banda elástica hasta medir la cantidad de fuerza del viento que se necesita para hacer que un edificio alto se doble y se balancee.
Esta ley ha tenido muchas aplicaciones prácticas importantes, una de ellas es la creación de una rueda de equilibrio, que hizo posible la creación del reloj mecánico, el reloj portátil, la escala de resorte y el manómetro (también conocido como el manómetro). Además, debido a que es una aproximación cercana de todos los cuerpos sólidos (siempre y cuando las fuerzas de deformación sean lo suficientemente pequeñas), numerosas ramas de la ciencia y la ingeniería también están en deuda con Hooke por proponer esta ley. Estos incluyen las disciplinas de sismología, mecánica molecular y acústica.
Sin embargo, como la mayoría de la mecánica clásica, la Ley de Hooke solo funciona dentro de un marco de referencia limitado. Debido a que ningún material puede ser comprimido más allá de un cierto tamaño mínimo (o estirado más allá de un tamaño máximo) sin alguna deformación permanente o cambio de estado, solo se aplica mientras haya una cantidad limitada de fuerza o deformación. De hecho, muchos materiales se desviarán notablemente de la ley de Hooke mucho antes de que se alcancen esos límites elásticos.
Aún así, en su forma general, la Ley de Hooke es compatible con las leyes de equilibrio estático de Newton. Juntos, hacen posible deducir la relación entre la tensión y el estrés para objetos complejos en términos de los materiales intrínsecos de las propiedades de las que está hecho. Por ejemplo, se puede deducir que una varilla homogénea con una sección transversal uniforme se comportará como un simple resorte cuando se estira, con una rigidez (k) directamente proporcional a su área de sección transversal e inversamente proporcional a su longitud.
Otra cosa interesante sobre la ley de Hooke es que es un ejemplo perfecto de la Primera Ley de la Termodinámica. Cualquier resorte comprimido o extendido conserva casi perfectamente la energía que se le aplica. La única energía perdida se debe a la fricción natural.
Además, la ley de Hooke contiene en su interior una función periódica en forma de onda. Un resorte liberado de una posición deformada volverá a su posición original con fuerza proporcional repetidamente en una función periódica. La longitud de onda y la frecuencia del movimiento también se pueden observar y calcular.
La teoría moderna de la elasticidad es una variación generalizada de la ley de Hooke, que establece que la deformación / deformación de un objeto o material elástico es proporcional al esfuerzo que se le aplica. Sin embargo, dado que las tensiones y tensiones generales pueden tener múltiples componentes independientes, el "factor de proporcionalidad" ya no puede ser solo un número real.
Un buen ejemplo de esto sería cuando se trata de viento, donde la tensión aplicada varía en intensidad y dirección. En casos como estos, es mejor emplear un mapa lineal (también conocido como un tensor) que pueda representarse mediante una matriz de números reales en lugar de un solo valor.
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También hay algunos recursos excelentes en línea, como esta conferencia sobre la Ley de Hooke que puedes ver en academicearth.org. También hay una gran explicación de la elasticidad en howstuffworks.com.
También puede escuchar el Episodio 138, Mecánica cuántica de Astronomy Cast para obtener más información.
Fuentes:
Hiperfísica
Física 24/7
