Hookeov zakon

(Preusmjereno sa stranice Hukov zakon)

Hukov zakon kaže da je deformacija tijela proporcionalna primijenjenoj sili, pod uvjetom da se ne prijeđe granica elastičnosti tijela. Kada se sila ukloni tijelo će se vratiti u svoj prvobitni oblik. Zakon je otkrio engleski fizičar Robert Huk 1676.

Mehanika kontinuuma
Ključne stavke
Navier–Stokesove jednačine
Zakoni
Zakon održanja mase
Zakon održanja količine kretanja
Zakon održanja energije
Nejednakost entropije
Mehanika čvrstih tela
Čvrsta tijela · Napon · Deformacija · Teorija konačnih deformacija · Teorija infinitezimalnih napreazanja · Elastičnost · Linearna elastičnost · Plastičnost · Viskoelasticičnost · Hukov zakon · Reologija
Mehanika fluida
Tečnosti · Fluidi · Statika fluida
Dinamika fluida · Viskoznost · Njutonov fluid
Nenjutnov fluid
Površinski napon
Ova kutijica: pogledaj  razgovor  uredi
Opruga za koju vrijedi Hookeov zakon: sila F je srazmjerna (proporcionalna) rastezanju opruge x.

Ako se tijelo na elastičnoj opruzi pomakne iz ravnotežnog položaja, tj. ako se opruga rastegne ili stisne, djelovat će povratna sila (elastična sila opruge), koja će nastojati tijelo vratiti u ravnotežni položaj. Iznos te sile je proporcionalan pomaku tijela iz ravnotežnog položaja.

Otkriće

uredi

Engleski fizičar Robertu Huku je otkrio i 1675. izrazio latinskim anagramom: ceiiinosssttuu. Rešenje anagrama je objavio 1678. godine kao: Ut tensio, sic vis (Koliko istezanje, tolika sila).[1] U ovom prvobitnom obliku, zakon se odnosio pre svega na opruge, tj. činjenicu da je sila koju opruga proizvodi proporcionalna njenom istezanju ili sabijanju:

 

Gde je:

  — sila koju opruga proizvodi
  — konstanta elastičnosti (koeficijent proporcionalnosti) zavisi od prirode materijala od koga je dato telo načinjeno i od ostalih njegovih osobina.
  — promena dužine pri rastezanju ili skupljanju opruge u odnosu na njen prirodni položaj. Znak   nije obavezan, ali se koristi kao oznaka za promenu

Znak „—“ označava suprotan smer od pomeraja. Ako je opruga istegljena, njena sila će težiti da je skupi, i suprotno, ako je opruga skupljena, sila opruge će težiti da je raširi.

Primjena

uredi

Ako je šipka ili štap od nekog elastičnog materijala, onda i nju možemo promatrati kao oprugu. Šipka ima duljinu L i poprečni presjek A. Ako šipku razvlačimo s nekom silom F, onda u njoj nastaje naprezanje σ, koje se opire vanjskoj sili. Tada Hookeov zakon možemo pisati u drugom obliku:[2]

 

ili

 

gdje je: σnaprezanje u šipki ili štapu (N/mm2), EYoungov modul elastičnosti (N/mm2), ε – omjer produljenja šipke ili štapa i njene duljine (bez dimenzije ili ΔL / L), Lduljina štapa, ΔL - produljenje šipke ili štapa (mm), F – sila koja produljuje šipku ili štap (N), A – poprečni presjek šipke ili štapa (mm2) [3]

Hookeov zakon vrijedi samo u određenom području nekog materijala, koje se naziva elastično područje. Za čelik je elastično područje sve do granice razvlačenja ili gdje ta granica nije jasno određena, do granice plastičnosti koja je određena onim naprezanjem pri kojem nastaje trajno produljenje od 0,2% prvobitne dužine šipke ili štapa. Ovo naprezanje nosi oznaku σ0,2.[4]

Opruge

uredi
Glavni članak: Opruga

Ako se tijelo na elastičnoj opruzi pomakne iz ravnotežnog položaja, tj. ako se opruga rastegne ili stisne, djelovat će povratna sila (elastična sila opruge), koja će nastojati tijelo vratiti u ravnotežni položaj. Iznos te sile je proporcionalan pomaku tijela iz ravnotežnog položaja. Dakle, ako je pomak x, povratna sila je:

 

a koeficijent proporcionalnosti k je konstanta opruge (ovisi o njenim dimenzijama, obliku i materijalu od kojega je izrađena).

Dijagram naprezanja

uredi
Glavni članak: Dijagram naprezanja
 
Dijagram naprezanja za niskougljični čelik. Hukov zakon vrijedi u početnom području od 0 do donje granice razvlačenja.
1. Vlačna čvrstoća materijala
2. Granica razvlačenja ili σ0,2
3. Lom materijala
4. Područje plastičnih deformacija
5. Područje klonulosti
A: Teoretski dijagram rastezanja
B: Stvarni dijagram rastezanja (F/A)

Dijagram naprezanja prikazuje medusobnu ovisnost σ - vlačnog naprezanja i ε - relativnog produljenja ili linijske vlačne deformacije. U materijalu koji je opterećen nekom silom F nastaju naprezanja σ koja uzrokuju njegovo rastezanje. Naprezanje σ je omjer sile F i ploštine A presjeka štapa ili šipke (okomitog na smjer sile).

 

Zbog djelovanja sile F (a time nastalog naprezanja σ) štap ili šipka će se od početne duljine L0 rastegnuti na duljinu L. Tako je produljenje štapa ili šipke:

 
 
Manometar se zasniva na Hookeovom zakonu. Sila koju stvara tlak plina unutar kućišta mjernog instrumenta srazmjeran je kutu spiralne opruge koja se odmota i time tlaku.

Relativno produljenje ε (duljinska ili uzdužna deformacija) štapa ili šipke je produljenje s obzirom na početnu duljinu Lo. Početno je naprezanje linearno (deformacija je izravno razmjerna naprezanju). U području linearnog rastezanja (Hookeov zakon) materijal je elastičan i nakon prestanka djelovanja sile, odnosno naprezanja, on se vraća u početno stanje. Youngov modul elastičnosti je omjer naprezanja i relativnog produljenja (u području elastičnosti).

Tehnička granica elastičnosti je naprezanje pri kojem osjetljiva mjerila osjete prvo primjetno trajno produljenje materijala (pri još nepromijenjenom presjeku Ao). Nakon te granice (obično na kraju linearnog rastezanja) materijal se rasteže plastično i nakon prestanka djelovanja sile ne vraća se više na početnu duljinu L0, već ostaje određeno trajno produljenje, uz suženje presjeka, A < A0).

Izvori

uredi
  1. Elert, Glenn. „Springs” (en). The Physics Hypertextbook. Pristupljeno 18. 7. 2010. 
  2. [1] Arhivirano 2017-02-28 na Wayback Machine-u "Konstrukcijski elementi I", Tehnički fakultet Rijeka, Božidar Križan i Saša Zelenika, 2011.
  3. [2] Arhivirano 2012-01-31 na Wayback Machine-u "Elementi strojeva", Fakultet elektrotehnike, strojarstva i brodogradnje Split, Prof. dr. sc. Damir Jelaska, 2011.
  4. "Elementi strojeva", Karl-Heinz Decker, Tehnička knjiga Zagreb, 1975.

Povezano

uredi