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 riacquistare la sua forma quando è sotto l'azione di una forza di deformazione.
La forza elastica è anche chiamata forza di ripristino perché si oppone alla deformazione per riportare gli oggetti nella loro posizione di equilibrio. Il trasferimento della forza elastica avviene attraverso le particelle che compongono gli oggetti.
Ad esempio, quando una molla metallica viene compressa, viene esercitata una forza che spinge le particelle della molla, diminuendo la separazione tra loro, allo stesso tempo le particelle resistono alla spinta esercitando una forza contraria alla compressione..
Se invece di comprimere la molla viene tirata, stirandosi, le particelle che la compongono vengono ulteriormente separate. Allo stesso modo, le particelle resistono alla separazione esercitando una forza contraria allo stiramento..
Gli oggetti che hanno la proprietà di recuperare la loro forma originale quando si oppongono alla forza di deformazione sono chiamati oggetti elastici. Molle, elastici e corde elastiche sono esempi di oggetti elastici..
Indice articolo
La forza elastica (FK) è la forza che un oggetto esercita per ritrovare il suo stato di equilibrio naturale dopo essere stato influenzato da una forza esterna.
Per analizzare la forza elastica, verrà preso in considerazione il sistema di massa della molla ideale, che consiste in una molla posizionata orizzontalmente attaccata ad un'estremità alla parete e all'altra estremità a un blocco di massa trascurabile. Le altre forze che agiscono sul sistema, come la forza di attrito o la forza di gravità, non verranno prese in considerazione..
Se sulla massa viene esercitata una forza orizzontale, diretta verso il muro, questa viene trasferita verso la molla, comprimendola. La molla si sposta dalla sua posizione di equilibrio a una nuova posizione. Poiché l'oggetto tende a rimanere in equilibrio, si manifesta la forza elastica nella molla che si oppone alla forza applicata.
Lo spostamento indica di quanto si è deformata la molla e la forza elastica è proporzionale a quello spostamento. Man mano che la molla viene compressa, la variazione di posizione aumenta e di conseguenza la forza elastica aumenta..
Più la molla è compressa, più forza opposta esercita fino a raggiungere un punto in cui la forza applicata e la forza elastica si equilibrano, di conseguenza il sistema molla-massa smette di muoversi. Quando smetti di applicare la forza, l'unica forza che agisce è la forza elastica. Questa forza accelera la molla nella direzione opposta alla deformazione fino a ripristinare lo stato di equilibrio.
Lo stesso accade quando si allunga la molla tirando la massa orizzontalmente. La molla è tesa ed esercita immediatamente una forza proporzionale allo spostamento che contrasta lo stiramento.
La formula della forza elastica è espressa dalla legge di Hooke. Questa legge afferma che la forza elastica lineare esercitata da un oggetto è proporzionale allo spostamento.
FK = -k.ΔS [1]
FK = Forza elastica
K = Costante di proporzionalità
ΔS = Cilindrata
Quando l'oggetto è spostato orizzontalmente, come nel caso della molla fissata al muro, lo spostamento è ΔX, e l'espressione della legge di Hooke è scritta:
FK = -k.ΔX [Due]
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 della proporzionalità K è una costante che dipende dal tipo di materiale di cui è composta 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 viene allungato oltre il limite elastico, si deformerà in modo permanente.
Le equazioni [1] e [2] si applicano a piccoli spostamenti della molla. Quando gli spostamenti sono maggiori, i termini con maggiore potenza di ΔX.
La forza elastica agisce sulla molla spostandola verso la sua posizione di equilibrio. Durante questo processo l'energia potenziale del sistema di massa della molla aumenta. L'energia potenziale dovuta al lavoro svolto dalla forza elastica è espressa nell'equazione [3].
U = ½ k . ΔxDue[3]
L'energia potenziale è espressa in Joule (J).
Quando la forza di deformazione non è più applicata, la molla accelera verso la posizione di equilibrio, diminuendo l'energia potenziale e aumentando l'energia cinetica..
L'energia cinetica del sistema molla-massa, quando raggiunge la posizione di equilibrio, è determinata dall'equazione [4].
EK= ½ m.vDue[4]
m = massa
v = velocità della molla
Per risolvere il sistema molla-massa, viene applicata la seconda legge di Newton tenendo conto che la forza elastica è una forza variabile.
Quanta forza è necessaria per applicare a una molla affinché si allunghi di 5 cm se la costante della molla è 35 N / m?
Poiché la forza di applicazione è opposta alla forza elastica, viene determinata FK supponendo che la molla sia allungata orizzontalmente. Il risultato non richiede il segno negativo poiché è necessaria solo la forza dell'applicazione.
Legge di Hooke
FK = -k.Δx
La costante K la primavera è 35N / m.
Δx = 5 cm = 0,05 m
FK = -35N / m. 0,05 m
FK = - 1,75 N = - F
Necessario 1,75 N forza per deformare la molla 5 cm.
Qual è la costante di tensione di una molla che viene allungata 20 cm dall'azione di una forza di 60N?
Δx =20 cm = 0,2 m
F = 60N
FK = -60N = - F
k = - FK / Δx
= - (- 60N) / 0,2 m
k = 300 N / m
La costante della primavera è 300N / m
Qual è l'energia potenziale riferita al lavoro svolto dalla forza elastica di una molla di compressione 10 cm e la sua costante di tensione è 20N / m?
ΔX =10 cm = 0,1 m
k = 20 N / m
FK = -20N / m. 0,1 m
FK = -200N
La forza elastica della molla è -200N.
Questa forza agisce sulla molla per spostarla verso la sua posizione di equilibrio. Fare questo lavoro aumenta l'energia potenziale del sistema.
L'energia potenziale viene calcolata con l'equazione [3]
U = ½ k . ΔxDue
U = ½ (20N / m). (0,1 m)Due
U = 0,1 Joules
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