「フックの法則では、材料が弾性限界内にある場合、材料の変形または歪みは、変形力または応力に応じて直接かつ積極的に変化すると述べています。」
バネにはいつも興味をそそられたので、バネを手に入れるためだけに、ネジを外して中身を空にして、多くのペンを破壊しました。スプリングの一端を引っ張って元の位置に戻るのを見るのは楽しかったです。しかし、楽しくなかったのは、強く引っ張りすぎて、スプリングが永久に伸びたままになることでした.
ボールペンのスプリングは、フックの法則に従う最も単純な材料です。 (写真提供:Dr.Pixel/Shutterstock)
元の形に戻そうとしても無駄です。さらに調べてみると、さらに興味深いものを発見しました。すべての素材には「弾力性」、より科学的には弾力性があります
弾性と可塑性とは?
オブジェクトの物理的な構成を変更する力は、応力として知られています。このような応力下で変形する物体は、ひずみを受けていると言われます。物体の弾性とは、これらの応力を取り除くと、元の形状に戻ろうとする傾向を指します。とはいえ、無限に、または「完全に」弾力性のある素材はありません。永久に変形するポイントがあります。場合によっては壊れてしまうこともあります。永久変形が発生するしきい値は、弾性限界として知られています。弾性の対義語である、永久的な物理的変形を受ける材料の傾向は、可塑性として知られています。
共通キャプションを挿入 – 輪ゴムとパテは、弾性物質と可塑性物質の良い例です。 (写真提供:Sharomka &Whiteaster/Shutterstock)
このように、すべての物質はさまざまな尺度で弾性と可塑性を持ち、この 2 つを互いに分離することはできません。一部の素材は、他の素材よりも弾力性があります。伸縮性の高い素材の良い例は輪ゴムです。ただし、最も伸縮性のある輪ゴムでさえ、ある時点で切れずに伸ばすことはできません.同様に、パテの塊は非常に可塑性の高い材料です。とはいえ、肉眼では見えないかもしれない「リバウンド」が発生します。
フックの法則とは?
フックの法則は、変形力を受けたときの材料の挙動の背後にある支配原理です。材料の弾性限界内で適用可能であり、材料の歪みまたは変形は、それに加えられる変形力または応力に正比例すると述べています。
これは次の関係で数学的に表すことができます:
F ∝ x
ここで、F は応力とも呼ばれる変形力です。
x は、この応力の適用による歪みまたは寸法の変化です。
比例性を定量化するには、関係に定数を導入する必要があります。フックの法則では、これはばね定数 (K) として知られており、問題の材料の特性です。ひずみに負の符号が乗算されます。
したがって、方程式は次のように記述できます。
F =-Kx.
負の符号を使用することは重要です。負の符号は、変形する力を取り除くと元の状態に戻る体の傾向を表すためです.
フックの法則の図解
フックの法則は、ひずみに対する応力のグラフをプロットすることで表されます。この時点で、ひずみは応力の適用によって引き起こされる変形であることを繰り返します。
弾性ゾーン内では、ひずみの増加は応力に正比例します。弾性限界に達するまで、材料は元の状態に戻ることができません.
弾性限界を超えると、応力とひずみの間の正比例に関するフックの法則は適用できなくなります。この段階で、応力下の材料は可逆変形のポイントを超えています。この領域は塑性領域と呼ばれ、この領域内で発生する変形は永続的です。
塑性領域では、応力の増加がほとんどまたはまったくないポイントが来て、急速な変形が発生します。これは降伏点として知られており、材料の破壊として一般に知られている機械的故障の開始点です。
応力が降伏点を超えて増加すると、最終的な引張応力点に到達します。この時点の後、材料は収縮を開始し、最終的に破砕します。
フックの法則からの逸脱
非フック材料は、その応力ひずみ曲線の最も初期の段階からフックの法則をほとんど、またはまったく遵守していないことに基づいて識別されます。
このような物質は、元の構成やエネルギーを回復しません。
可塑性が高く、もろく、延性さえある物質は、一般的な非フック材料です。いくつかの例には、布 (高度にプラスチック) が含まれます。ガラスまたは鋳鉄 (非常にもろい)、および銅 (非常に延性)。
ガラスは変形荷重や粉砕に耐えることができません (写真提供:吉銀/Shutterstock)
ネオフックアン素材
材料科学の進歩に伴い、ネオフック材料も特定されています。ネオフック素材は超弾性であり、元の状態に戻ることができるにもかかわらず、フックの法則を順守しません。その応力とひずみの関係は、温度、粘度、内部材料構造などの他の要因によって支配されます。
ゴム、樹脂、アブダクチンなどの超弾性物質はネオフック素材です。
フックの法則の適用
ばねてんぷはフックの法則をシンプルかつ効果的に応用したものです (写真提供:Ivan Orekhov/Shutterstock)
フックの法則からは多くの逸脱がありますが、それは普遍的に受け入れられており、たとえ短い範囲の応力であっても、ほとんどの材料に適用できます。これは、張力と圧縮を扱う多くの機械や装置の基礎を形成しています。
フックの法則のいくつかの一般的な応用は、ブルドン管、ばね秤、圧力計に見られます。
