Как обозначается удлинение пружины. Формула жесткости пружины
Не зная, чему равна сила растяжения пружины, невозможно вычислить коэффициент ее жесткости, поэтому найдите силу растяжения. То есть, Fупр = kx , где k и является коэффициентом жесткости. В этом случае вес груза будет равен силе упругости, действующей на тело, коэффициент жесткости которого нужно найти, например, пружины.
При параллельном соединении жёсткость увеличивается, при последовательном - уменьшается. Физика 7 класс, тема 03. Силы вокруг нас (13+2 ч) Сила и динамометр. Виды сил. Уравновешенные силы и равнодействующая. Физика 7 класс, тема 06. Введение в термодинамику (15+2 ч) Температура и термометры.
Это соотношение выражает суть закона Гука. А значит, чтобы найти коэффициент жесткостипружины, следует силу растяжения тела разделить на удлинение данной пружины
При деформации тела возникает сила, которая стремится восстановить прежние размеры и форму тела. Эта сила возникает вследствие электромагнитного взаимодействия между атомами и молекулами вещества.
Закон Гука может быть обобщен и на случай более сложных деформаций. В технике часто применяются спиралеобразные пружины (рис. 1.12.3). Следует иметь в виду, что при растяжении или сжатии пружины в ее витках возникают сложные деформации кручения и изгиба.
В отличие от пружин и некоторых эластичных материалов (резина) деформация растяжения или сжатия упругих стержней (или проволок) подчиняются линейному закону Гука в очень узких пределах. Закрепите вертикально один конец пружины, второй же ее конец оставьте свободным. Жесткость – это способность детали или конструкции противодействовать приложенной к нему внешней силе, по возможности сохраняя свои геометрические параметры.
Различные пружины предназначены для работы на сжатие, растяжение, кручение или изгиб. В школе на уроках физики детей учат определять коэффициентжесткости пружины, работающей на растяжение. Для этого на штативе вертикально подвешивается пружина в свободном состоянии.
Вычисление силы Архимеда. Количество теплоты и калориметр. Теплота плавления/кристаллизации и парообразования/конденсации. Теплота сгорания топлива и КПД тепловых двигателей. Например, при деформации изгиба упругая сила пропорциональна прогибу стержня, концы которого лежат на двух опорах (рис. 1.12.2).
Поэтому ее часто называют силой нормального давления. Деформация растяжения пружины. Для металлов относительная деформация ε = x / l не должна превышать 1 %. При больших деформациях возникают необратимые явления (текучесть) и разрушение материала. С точки зрения классической физики пружину можно назвать устройством, которое накапливает потенциальную энергию путем изменения расстояния между атомами материала, из которого эта пружина сделана.
Основная характеристика жесткости – коэффициентжесткости
Для стали, например, E ≈ 2·1011 Н/м2, а для резины E ≈ 2·106 Н/м2, т. е. на пять порядков меньше. Упругую силу действующую на тело со стороны опоры (или подвеса), называют силой реакции опоры. При соприкосновении тел сила реакции опоры направлена перпендикулярно поверхности соприкосновения.
Чтобы опытным путем определить коэффициент упругости заготовленной вами для тележки пружины, ее надо будет сжимать. Сначала найдите удлинение пружины в метрах. Простейший вид – деформация растяжения и сжатия. Рассчитайте коэффициент жесткости, поделив произведение массы m и ускорения свободного падения g≈9,81 м/с² на удлинение тела x, k=m g/x. При соединении нескольких упруго деформируемых тел (далее для краткости - пружин) общая жёсткость системы будет меняться.
Максимальная сила сжатия или растяжения пружины не зависит от количества рабочих витков! Это означает, что если взять, например, цилиндрическую пружину сжатия, а затем разрезать её на две неравные по высоте части, то максимальное усилие при полном сжатии...
Обеих образовавшихся пружин будет одинаковым. Более того – максимальная сила останется такой же, как у исходной пружины!
В чем же тогда различие между тремя рассмотренными выше пружинами? Ответ на этот вопрос – в высотных размерах и жесткостях.
Меньшая пружина самая жесткая. У нее самый малый ход от свободного состояния до полного сжатия. Исходная пружина (до разделения) – самая мягкая. У нее самый большой ход.
Жесткость пружины (C ) является ключевым параметром, определяющим силу сжатия или растяжения (F i ) при определенной величине деформации (L 0 — L i ):
F i = C * (L 0 — L i )
В свою очередь сама жесткость пружины (C ) зависит только от жесткости одного витка (C 1 ) и числа рабочих витков (N ):
C = C 1 / N
Обратите внимание – жесткость одного витка всегда больше жесткости всей пружины! Причем, чем больше в пружине витков, тем она мягче.
Расчет в Excel жесткости витка пружины.
Жесткость витка пружины – это «краеугольный камень в фундаменте» расчетов, зависящий лишь от модуля сдвига материала, из которого пружина навита и её геометрических размеров.
C 1 = G * X 4 /(Y *(D 1 — B ) 3 )
В этой формуле:
G – модуль сдвига материала проволоки
Для пружинной стали:
G ≈78500 МПа ±10%
Для пружинной бронзы:
G ≈45000 МПа ±10%
X – минимальный размер сечения проволоки
Для круглой проволоки – это её диаметр:
X = D
Для прямоугольной проволоки:
X = H при H < B
X = B при B < H
H – высота сечения проволоки в направлении параллельном оси навивки пружины
B – ширина сечения проволоки в направлении перпендикулярном оси навивки пружины
Для круглой проволоки:
H = B = D
D 1 — наружный диаметр пружины
(D 1 — B ) – средний диаметр пружины
Y – параметр жесткости сечения проволоки
Для круглой проволоки:
Y = 8
Для прямоугольной проволоки:
Y = f (H / B )
Что это за функция — f (H / B ) ? В литературе она всегда задана в виде таблицы, что не всегда удобно, особенно для промежуточных значений H / B , которых попросту нет.
Выполним в MS Excel табличных данных в первых двух столбцах аналитическими функциями, разбив для повышения точности табличные значения на три группы.
На графиках, представленных ниже, Excel нашел три уравнения для определения параметра Y при различных значениях аргумента — отношения высоты проволоки к ширине - H / B . Красные точки – это заданные значения из таблицы (столбец №2), черные линии – это графики найденных аппроксимирующих функций. Уравнения этих функций Excel вывел непосредственно на поля графиков.
В таблице в столбце №3 размещены посчитанные по полученным формулам значения параметра жесткости сечения проволоки Y , а в столбцах №4 и №5 — абсолютные Δ абс и относительные Δ отн погрешности аппроксимации.
Как видно из таблицы и графиков полученные уравнения весьма точно замещают табличные данные! Величина достоверности аппроксимации R 2 очень близка к 1 и относительная погрешность не превышает 2,7%!
Применим на практике полученные результаты.
Расчет пружины сжатия из проволоки прямоугольного сечения.
Жесткость пружины из проволоки или прутка прямоугольного сечения при тех же габаритах, что и из круглой проволоки может быть гораздо больше. Соответственно и сила сжатия пружины может быть больше.
Представленная ниже программа является переработанной версией , подробное описание которой вы найдете, перейдя по ссылке. Прочтите эту статью, и вам проще будет разобраться в алгоритме.
Основным отличием в расчете, как вы уже догадались, является определение жесткости витка (C 1 ) , задающей жесткость пружины (C ) в целом.
Далее представлены скриншот программы и формулы для цилиндрической стальной пружины из прямоугольной проволоки, у которой поджаты по ¾ витка с каждого конца и опорные поверхности отшлифованы на ¾ длины окружности.
Внимание!!!
После выполнения расчета по программе выполняйте проверку касательных напряжений!!!
4. I =(D 1 / B ) -1
5.
При 1/3
При 1
При 2< H / B <6 : Y =3 ,9286 *(H / B ) (-1. 2339 )
6. При H < B : C 1 =(78500* H 4 )/(Y * (D 1 — B ) 3)
При H > B : C 1 =(78500* B 4 )/(Y * (D 1 — B ) 3)
8. T nom =1,25*(F 2 / C 1 )+H
9. T max =π*(D 1 — B )*tg (10 ° )
11. S 3 = T — H
12. F 3 = C 1 * S 3
14. N расч =(L 2 — H )/(H +F 3 / C 1 — F 2 / C 1 )
16. C = C 1 / N
17. L 0 = N * T + H
18. L 3 = N * H + H
19. F 2 = C * L 0 — C * L 2
21. F 1 = C * L 0 — C * L 1
22. N 1 = N +1,5
23. A =arctg (T /(π *(D 1 — H )))
24. L разв =π* N 1 *(D 1 — H )/cos (A )
25. Q =H *B * L разв *7,85/10 6
Заключение.
Значение модуля сдвига (G ) материала проволоки в существенной мере влияющее на жесткость пружины (C ) в реальности колеблется от номинально принятого до ±10%. Это обстоятельство и определяет в первую очередь наряду с геометрической точностью изготовления пружины «правильность» расчетов усилий и соответствующих им перемещений.
Почему в расчетах не используются механические характеристики (допускаемые напряжения) материала проволоки кроме модуля упругости? Дело в том, что, задаваясь углом подъема витка и индексом пружины в ограниченных диапазонах значений, и придерживаясь правила: «угол подъема в градусах близок значению индекса пружины», мы фактически исключаем возможность возникновения касательных напряжений при эксплуатации превышающих критические величины. Поэтому проверочный расчет пружин на прочность имеет смысл производить лишь при разработке пружин для серийного производства в особо ответственных узлах. Но при таких условиях кроме расчетов всегда неизбежны серьезные испытания…
Напишите пару строк в комментариях - мне всегда интересно ваше мнение.
Прошу УВАЖАЮЩИХ труд автора скачать файл ПОСЛЕ ПОДПИСКИ на анонсы статей.
ОСТАЛЬНЫМ можно скачать просто так... - никаких паролей нет!
По
физике
за 9 класс (И.К.Кикоин, А.К.Кикоин, 1999 год),
задача №2
к главе «ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ
».
Цель работы: найти жесткость пружины из измерений удлинения пружины при различных значениях силы тяжести
уравновешивающей силу упругости на основе закона Гука:
В каждом из опытов жесткость определяется при разных значениях силы упругости и удлинения, т. е. условия опыта меняются. Поэтому для нахождения среднего значения жесткости нельзя вычислить среднее арифметическое результатов измерений. Воспользуемся графическим способом нахождения среднего значения, который может быть применен в таких случаях. По результатам нескольких опытов построим график зависимости модуля силы упругости F упр от модуля удлинения |x|. При построении графика по результатам опыта экспериментальные точки могут не оказаться на прямой, которая соответствует формуле
Это связано с погрешностями измерения. В этом случае график надо проводить так, чтобы примерно одинаковое число точек оказалось по разные стороны от прямой. После построения графика возьмите точку на прямой (в средней части графика), определите по нему соответствующие этой точке значения силы упругости и удлинения и вычислите жесткость k. Она и будет искомым средним значением жесткости пружины k ср.
Результат измерения обычно записывается в виде выражения k = = k cp ±Δk, где Δk - наибольшая абсолютная погрешность измерения. Из курса алгебры (VII класс) известно, что относительная погрешность (ε k) равна отношению абсолютной погрешности Δk к значению величины k:
откуда Δk - ε k k. Существует правило для расчета относительной погрешности: если определяемая в опыте величина находится в результате умножения и деления приближенных величин, входящих в расчетную формулу, то относительные погрешности складываются. В данной работе
Средства измерения: 1) набор грузов, масса каждого равна m 0 = 0,100 кг, а погрешность Δm 0 = 0,002 кг; 2) линейка с миллиметровыми делениями.
Материалы: 1) штатив с муфтами и лапкой; 2) спиральная пружина.
Порядок выполнения работы
1. Закрепите на штативе конец спиральной пружины (другой конец пружины снабжен стрелкой-указате-лем и крючком - рис. 176).
2. Рядом с пружиной или за ней установите и закрепите линейку с миллиметровыми делениями.
3. Отметьте и запишите то деление линейки, против которого приходится стрелка-указатель пружины.
4. Подвесьте к пружине груз известной массы и измерьте вызванное им удлинение пружины.
5. К первому грузу добавьте второй, третий и т. д. грузы, записывая каждый раз удлинение |х| пружины. По результатам измерений заполните таблицу:
6. По результатам измерений постройте график зависимости силы упругости от удлинения и, пользуясь им, определите среднее значение жесткости пружины k cp .
7. Рассчитайте наибольшую относительную погрешность, с которой найдено значение k ср (из опыта с одним грузом). В формуле (1)
так как погрешность при измерении удлинения Δx=1 мм, то
8. Найдите
и запишите ответ в виде:
1 Принять g≈10 м/с 2 .
Закон Гука: «Сила упругости, возникающая при деформации тела, пропорциональна его удлинению и направлена противоположно направлению перемещения частиц тела при деформации».
Закон Гука
Жесткостью называют коэффициент пропорциональности между силой упругости и изменением длины пружины под действием приложенной к ней силы. Согласно третьему закону Ньютона, приложенная к пружине сила по модулю равна возникшей в ней силе упругости. Таким образом жесткость пружины можно выразить как:
где F - приложенная к пружине сила, а х - изменение длины пружины под ее действием. Средства измерения: набор грузов, масса каждого равна m 0 = (0,1±0,002) кг.
Линейка с миллиметровыми делениями (Δх = ±0,5 мм). Порядок выполнения работы описан в учебнике и комментариев не требует.
|
масса, кг |  |
удлинение |х|, | ||
Груз, подвешенный на пружине, вызывает ее деформацию. Если пружина способна восстановить первоначальную форму, то ее деформация называется упругой.
При упругих деформациях выполняется закон Гука:
где F упр ¾ сила упругости; k ¾ коэффициент упругости (жесткость); Dl - удлинение пружины.
Примечание : знак “-” определяет направление силы упругости.
Если груз находится в равновесии, то сила упругости численно равна силе тяжести: k Dl = m g , тогда можно найти коэффициент упругости пружины:
где m ¾ масса груза; g ¾ ускорение свободного падения.
 |  |
|
| Рис.1 | Рис. 2 |
При последовательном соединении пружин (см. рис.1) силы упругости, возникающие в пружинах, равны между собой, а общее удлинение системы пружин складывается из удлинений в каждой пружине.
Коэффициент жесткости такой системы определяется по формуле:
где k 1 - жесткость первой пружины; k 2 - жесткость второй пружины.
При параллельном соединении пружин (см. рис. 2) удлинение пружин одинаково, а результирующая сила упругости равна сумме сил упругости в отдельных пружинах.
Коэффициент жесткости при параллельном соединении пружин находится по формуле:
k рез = k 1 + k 2 . (3)
Порядок выполнения работы
1. Прикрепить пружину к штативу. Подвешивая к каждой пружине грузы в порядке возрастания их массы, измерять удлинение пружины Dl .
2. По формуле F = mg рассчитать силу упругости.
3. Построить графики зависимости силы упругости от величины удлинения пружины. По виду графиков определить выполняется ли закон Гука.
5. Найти абсолютную погрешность каждого измерения
Dk i = êk i - k ср ê.
6. Найти среднее арифметическое значение абсолютной погрешности D k ср.
7. Результаты измерений и расчетов занести в таблицу.
1. Провести измерения (как описано в задании 1) и рассчитать коэффициенты упругости последовательно и параллельно соединенных пружин.
2. Найти среднее значение коэффициентов и погрешности их измерений. Результаты измерений и вычислений занести в таблицу.
4. Найти погрешность эксперимента, сравнив теоретические значения коэффициента упругости с экспериментальными по формуле:
.
| m , кг | |||||||
| F , Н | |||||||
| Первая пружина | |||||||
| Dl 1 , м | |||||||
| k 1 , Н/м | k ср = | ||||||
| D k 1 , Н/м | D k ср = | ||||||
| Вторая пружина | |||||||
| Dl 2 , м | |||||||
| k 2 , Н/м | k ср = | ||||||
| D k 2 , Н/м | D k ср = | ||||||
| Последовательное соединение пружин | |||||||
| Dl , м | |||||||
| k , Н/м | k ср = | ||||||
| D k , Н/м | D k ср = | ||||||
| Параллельное соединение пружин | |||||||
| Dl , м | |||||||
| k , Н/м | k ср = | ||||||
| D k , Н/м | D k ср = |
Контрольные вопросы
Сформулируйте закон Гука.
Дайте определение деформации, коэффициента упругости. Назовите единицы измерения этих величин в СИ.
Как находится коэффициент упругости для параллельного и последовательного соединения пружин?
Лабораторная работа № 1-5
Изучение законов динамики
Поступательного движения
Теоретические сведения
Динамика изучает причины, вызывающие механическое движение.
Инерция - способность тела сохранять состояние покоя или прямолинейного равномерного движения, если на это тело не действуют другие тела.
Масса m (кг) - количественная мера инертности тела.
Первый закон Ньютона :
Существуют такие системы отсчета, в которых тело находится в состоянии покоя или прямолинейного равномерного движения, если на него не действуют другие тела.
Системы отсчета, в которых выполняется первый закон Ньютона, называют инерциальными .
Сила (Н ) - векторная величина, характеризующая взаимодействие между телами или частями тела.
Принцип суперпозиции сил :
Если на материальную точку действуют одновременно силы и , то их можно заменить равнодействующей силой .
Инструкция
Присоедините к телу динамометр и потяните за него, деформировав тело. Сила, которую покажет динамометр, будет по модулю равна силе упругости, действующей на тело. Найдите коэффициент жесткости, используя Гука, который говорит о том, что сила упругости прямо пропорциональна его удлинению и направлена в сторону, противоположную деформации. Рассчитайте коэффициент жесткости, поделив значение силы F на удлинение тела x, которое измерьте линейкой или рулеткой k=F/x. Чтобы найти удлинение деформированного тела вычтите длину деформированного тела от его первоначальной длины. Коэффициент жесткости в Н/м.
Если нет динамометра, подвесьте к деформируемому телу груз известной массы. Следите, чтобы тело деформировалось упруго и не разрушилось. В этом случае вес груза будет равен силе упругости, действующей на тело, коэффициент жесткости которого нужно найти, например, . Рассчитайте коэффициент жесткости, поделив произведение массы m и ускорения свободного падения g≈9,81 м/с² на удлинение тела x, k=m g/x. Удлинение измерьте по методике, предложенной в предыдущем .
Пример. Под грузом 3 кг пружина длиной 20 см стала 26 см, определите ее . Сначала найдите удлинение пружины в . Для этого от длины удлиненной пружины, вычтите ее длину в нормальном состоянии х=26-20=6 см=0,06 м. Вычислите жесткость, используя соответствующую формулу k=m g/x=3 9,81/0,06≈500 Н/м.
А теперь несколько советов. Чтобы снизить жесткость воды в вашем , добавляйте в него дистиллированную или чистую дождевую воду, используйте специальные растения, например, элодею и роголистник. Кроме того, воду можно выморозить или хорошо прокипятить. В первом случае ее наливают в невысокий таз и выставляют на мороз. Как только она промерзнет до половины емкости, лед пробивают и, растопив, используют . Во втором – в течение часа кипятят воду в эмалированной , после чего дают остыть и используют две трети «верхней» воды .
Видео по теме
В результате деформации физического тела всегда возникает сила, которая ей противодействует, стремясь вернуть тело в начальное положение. Определить эту силу упругости в простейшем случае можно по закону Гука.
Инструкция
Сила упругости , действующая на деформированное тело, возникает как следствие электромагнитного взаимодействия между его атомами. Существуют различные виды деформации: /растяжение, сдвиг, изгиб. Под воздействием внешних сил разные части тела движутся по-разному, отсюда искажение и сила упругости , которая направлена в сторону прежнего состояния.
Деформация растяжения/сжатия направлением внешней силы вдоль оси предмета. Это может быть стержень, пружина, и другое тело, имеющее длинную форму. При искажении изменяется поперечное сечение, а сила упругости пропорциональна взаимному смещению частиц тела:Fупр = -k ∆x.
Эта называется законом Гука, однако применяется она не всегда, а лишь при относительно малых значениях ∆х. Величина k называется жесткостью и выражается в Н/м. Этот коэффициент зависит от исходного материала тела, а также формы и размеров, он пропорционален поперечному сечению.
При деформации сдвига объем тела не изменяется, но его слои меняют свое друг относительно друга. Сила упругости равна произведению коэффициента упругости при сдвиге, находящемуся в прямой зависимости от поперечного сечения тела, на величину угла между осью и касательной, в направлении которой действует внешняя сила:Fупр = D α.
