Hooke의 법칙이란 무엇입니까?

2015년 2월 16일

매트 윌리엄스, 유니버스 투데이

봄은 인간 공학과 창의성의 경이로움입니다. 우선, 압축 스프링, 인장 스프링, 토션 스프링, 코일 스프링 등 매우 다양한 종류가 있으며 모두 서로 다르고 특정한 기능을 수행합니다. 이러한 기능을 통해 많은 인공 물체를 만들 수 있으며, 그 중 대부분은 17세기 후반과 18세기 과학 혁명의 일부로 나타났습니다.

기계적 에너지를 저장하는 데 사용되는 탄성 물체로서 그 응용 분야는 광범위하여 자동차 서스펜션 시스템, 진자 시계, 수동 시어, 태엽 장난감, 시계, 쥐덫, 디지털 마이크로미러 장치 등을 가능하게 합니다. , 슬링키.

수세기에 걸쳐 발명된 다른 많은 장치와 마찬가지로, 널리 사용되기 전에 메커니즘에 대한 기본적인 이해가 필요합니다. 스프링의 관점에서 이는 훅의 법칙으로 알려진 탄성, 비틀림 및 작용하는 힘의 법칙을 이해하는 것을 의미합니다.

훅의 법칙은 스프링을 일정 거리만큼 늘리거나 압축하는 데 필요한 힘이 해당 거리에 비례한다는 물리학의 원리입니다. 이 법칙은 용수철에 가해지는 힘과 탄성 사이의 관계를 증명하려고 했던 17세기 영국 물리학자 로버트 훅의 이름을 따서 명명되었습니다. 그는 1660년에 라틴어 철자법으로 처음으로 법칙을 명시한 다음 1678년에 ut tensio, sic vis로 해법을 발표했습니다. 이는 "확장과 마찬가지로 힘도 마찬가지입니다" 또는 "확장은 힘에 비례합니다"를 의미합니다. .

이는 수학적으로 F= -kX로 표현될 수 있습니다. 여기서 F는 스프링에 적용되는 힘(변형 또는 응력의 형태)입니다. X는 스프링의 변위이며, 음수 값은 스프링이 늘어난 후의 변위를 나타냅니다. k는 스프링 상수이며 얼마나 뻣뻣한지 자세히 설명합니다.

훅의 법칙은 탄성을 설명하는 최초의 고전적인 예입니다. 탄성은 왜곡된 후에 원래의 모양으로 복원되는 물체나 재료의 특성입니다. 왜곡을 경험한 후 정상적인 형태로 돌아가는 이러한 능력을 "복원력"이라고 부를 수 있습니다. Hooke의 법칙으로 이해하면, 이 복원력은 일반적으로 경험되는 "늘어남"의 양에 비례합니다.

스프링의 동작을 제어하는 ​​것 외에도 Hooke의 법칙은 탄성체가 변형되는 다른 많은 상황에도 적용됩니다. 여기에는 풍선을 부풀리고 고무줄을 당기는 것부터 높은 건물을 구부리고 흔들리게 만드는 데 필요한 풍력의 양을 측정하는 것까지 모든 것이 포함될 수 있습니다.

이 법칙은 기계식 시계, 휴대용 시계, 용수철 눈금 및 압력계(일명 압력계)의 생성을 가능하게 하는 밸런스 휠의 생성과 함께 많은 중요한 실제 적용을 가졌습니다. 또한 이것은 (변형력이 충분히 작은 한) 모든 고체에 대한 근접한 근사치이기 때문에 수많은 과학 및 공학 분야가 이 법칙을 제시한 Hooke에게 감사드립니다. 여기에는 지진학, 분자 역학 및 음향학 분야가 포함됩니다.

그러나 대부분의 고전 역학과 마찬가지로 Hooke의 법칙은 제한된 기준 틀 내에서만 작동합니다. 영구적인 변형이나 상태 변화 없이는 재료가 특정 최소 크기 이상으로 압축되거나 최대 크기 이상으로 늘어날 수 없기 때문에 제한된 양의 힘이나 변형이 포함되는 경우에만 적용됩니다. 실제로 많은 재료는 탄성 한계에 도달하기 훨씬 전에 Hooke의 법칙에서 눈에 띄게 벗어날 것입니다.

그러나 일반적인 형태에서는 Hooke의 법칙이 Newton의 정적 평형 법칙과 양립할 수 있습니다. 이 두 가지를 함께 사용하면 복잡한 물체를 구성하는 특성의 고유한 재료 측면에서 복잡한 물체의 변형률과 응력 사이의 관계를 추론할 수 있습니다. 예를 들어, 균일한 단면을 가진 균질한 막대는 늘어나면 단순 스프링처럼 동작하며 강성(k)은 단면적에 정비례하고 길이에 반비례한다고 추론할 수 있습니다.