Forza elastica ciò che consiste, formule ed esercizi

IL forza elastica È la forza che un oggetto esercita per resistere a un cambiamento nella sua forma. Si manifesta in un oggetto che tende a recuperare la sua forma quando è sotto l'azione di una forza di deformazione.

La forza elastica è anche chiamata forza restaurativa perché si oppone alla deformazione per restituire oggetti nella sua posizione di equilibrio. Il trasferimento della forza elastica è attraverso le particelle che integrano gli oggetti.

Forza elastica di una primavera

Ad esempio, quando una molla metallica viene compressa, una forza che spinge le particelle di molla viene esercitata riducendo la separazione tra di loro, allo stesso tempo, le particelle resistono a essere spinte esercitando una forza contrariamente alla compressione.

Se invece di comprimere la molla viene lanciato, allungando, le particelle che la integrano sono separate di più. Allo stesso modo, le particelle resistono alla separazione di una forza contrariamente allo stretching.

Gli oggetti che hanno la proprietà di recuperare la loro forma originale mediante una forza di deformazione opposta sono chiamati oggetti elastici. Le molle, la gomma elastica e le stringhe elastiche sono esempi di oggetti elastici.

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Qual è la forza elastica?

La forza elastica (F_K) È la forza che un oggetto esercita per recuperare il suo stato di equilibrio naturale essendo stato colpito da una forza esterna.

Per analizzare la forza elastica, il sistema di massa a molla ideale sarà preso in considerazione che consiste in una molla collocata orizzontalmente soggetta a un'estremità sul muro e dall'altra parte di un blocco di massa spregevole. Le altre forze che agiscono sul sistema come l'attrito o la forza di gravità non saranno prese in considerazione.

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Se si esercita una forza orizzontale sull'impasto, diretta verso il muro, viene trasferita alla molla che lo comprime. La molla si sposta dalla sua posizione di equilibrio verso una nuova posizione. Poiché l'oggetto tende a rimanere in equilibrio, la forza elastica si manifesta in primavera che si oppone alla forza applicata.

Lo spostamento indica quanto la primavera e la forza elastica siano state deformate è proporzionale a quello spostamento. Man mano che la molla viene compressa, la variazione nella posizione è in aumento e di conseguenza aumenta la forza elastica.

Più la molla è compressa, maggiore è la forza di opposizione fino a raggiungere un punto in cui la forza applicata e la forza elastica sono bilanciate, di conseguenza il sistema di massa a molla smette di muoversi. Smettila di applicare la forza l'unica forza che agisce è la forza elastica. Questa forza accelera la molla nella direzione contraria alla deformazione fino al recupero dello stato di equilibrio.

Allo stesso modo si verifica quando si allunga la molla guardando l'impasto in orizzontale. La molla è allungata ed esercita immediatamente una forza proporzionale allo spostamento che si estende per lo stretching.

Formule

La formula della forza elastica è espressa dalla legge di Hooke. Questa legge stabilisce che la forza elastica lineare esercitata da un oggetto è proporzionale allo spostamento.

F_K = -k.ΔS         [1]

F_K = Forza elastica

K = Costante di proporzionalità

ΔS = Spostamento

Quando l'oggetto si muove orizzontalmente, come nel caso della molla soggetta al muro, lo spostamento è ΔX, E l'espressione della legge di Hooke è scritta:

F_K = -k.ΔX        [2]

Può servirti: lente convergente: caratteristiche, tipi e esercizi risoltiLa legge di Hooke. Forza elastica proporzionale allo stretching. [Di SVJO (https: // Commons.Wikimedia.Org/Wiki/File: Hookes-Law-Springs.Png)]

Il segno negativo nell'equazione indica che la forza elastica della molla è nella direzione opposta alla forza che ha causato lo spostamento. La costante di proporzionalità K È una costante che dipende dal tipo di materiale a cui è costituita la molla. L'unità della costante K È N/m.

Gli oggetti elastici hanno un limite di elasticità che dipenderà dalla costante di deformazione. Se si estende oltre il limite elastico, si deformerà in modo permanente.

L'equazione [1] e [2] si applica agli spostamenti della molla piccoli. Quando gli spostamenti sono maggiori, i termini vengono aggiunti con maggiore potenza di ΔX.

Energia cinetica e energia potenziale riferita a una forza elastica

La forza elastica funziona sulla molla spostandola verso la sua posizione di equilibrio. Durante questo processo aumenta l'energia potenziale del sistema di massa primaverile. L'energia potenziale dovuta al lavoro svolto dalla forza elastica è espressa nell'equazione [3].

U = ½ k .  Δx²[3]

L'energia potenziale è espressa in joule (j).

Smetti di applicare la forza di deformazione, la molla accelera nella posizione di equilibrio diminuendo l'energia potenziale e aumentando l'energia cinetica.

L'energia cinetica del sistema di massa a molla, quando raggiunge la posizione di equilibrio, è determinata dall'equazione [4].

E_K= ½ m.v²[4]

M = Mass

v = velocità di molla

Per risolvere il sistema di massa primaverile, viene applicata la seconda legge di Newton tenendo conto del fatto che la forza elastica è una forza variabile.

Esercizi pratici di esempi

Ottenere la forza di deformazione

Quanta forza è necessaria per applicarsi a una molla per allungare 5 cm se la costante di molla è di 35 n/m?

Può servirti: accelerazione della gravità: cos'è, come viene misurato ed esercitatiForza elastica di una molla che si estende 5 cm

Poiché la forza dell'applicazione è contraria alla forza elastica F_K Supponendo che la molla sia allungata in orizzontale. Il risultato non richiede il segno negativo poiché è necessaria solo la forza dell'applicazione.

La legge di Hooke

F_K = -k.Δx       

Il costante K della primavera è 35n/m.

Δx = 5 cm = 0,05m

F_K = -35n/m . 0,05 m

F_K = - 1.75n = - f

Necessario 1,75 n di forza per deformare la primavera 5 cm.

Ottenere la costante di deformazione

Qual è la costante di deformazione di una molla che si estende 20 cm dall'azione di una forza di 60n?

Δx =20 cm = 0,2 m

F = 60n

F_K = -60n = - f

K = - f_K / ΔX

  = -(-60n) /0,2m

K = 300 n/m

La costante di primavera è 300n/m

Ottenere energia potenziale

Qual è l'energia potenziale riferita al lavoro svolto dalla forza elastica di una molla compressa 10 cm E la sua costante di deformazione è 20n/m?

ΔX =10 cm = 0,1 m

K = 20 n/m

F_K = -20n/m . 0,1 m

F_K = -200n

La forza elastica della primavera è -200n.

Questa forza funziona in primavera per spostarla verso la sua posizione di equilibrio. Quando si eseguono questo lavoro, l'energia potenziale del sistema aumenta.

L'energia potenziale viene calcolata con l'equazione [3]

U = ½ k .  Δx²

U = ½ (20n/m) . (0,1 m)²

U = 0,1Joule

Riferimenti

1. Kittel, C, Knight, W D e Ruderman, M a. Meccanica. USA: Mc Graw Hill, 1973, vol. Yo.
2. Rama Reddy, K, Badami, S B e Balasubramanian, V. Oscillamenti e onde. India: University Press, 1994.
3. Murphy, J. Fisica: sottovalutare le proprietà della materia e dell'energia. New York: Britannica Educational Publishing, 2015.
4. Giordano, n j. Fisica del college: ragionamento e relazioni. Canada: Brooks/Cole, 2009.
5. Walker, J, Halliday, D e Resnick, R. Fondamenti di fisica. USA: Wiley, 2014.