弾性の法則は、1660 年に英国の科学者ロバート フックによって開発されました。彼は、オブジェクトの比較的小さな変形の場合、変形の変位または大きさは、加えられた力または荷重に正比例すると述べました。負荷がなくなると、通常のサイズと形状に戻ります。固体が非常に弾性的である理由を理解するには、構成分子または原子/イオンの通常の位置からの変位も、変位を生成する力に比例することを知ることが重要です。応力とひずみに関するフックの法則では、小さな変形の場合、応力とひずみは互いに比例すると述べています。
応力とひずみに関するフックの法則
人間の創意工夫は、バネを作成するために多大な努力を払ってきました。ばねには、圧縮ばね、引張ばね、ねじりばね、コイルばねなど多くの種類があり、それぞれ用途が異なります。 17 世紀後半から 18 世紀前半にかけて、科学革命によりさまざまな製品が開発されました。
弾性物体は、自動車のサスペンション システム、振り子時計、ネズミ捕り、ハンド ハサミ、時計、ゼンマイ式おもちゃ、デジタル マイクロミラー デバイスなど、さまざまな方法で使用できます。
時間をかけて開発された他の多くの技術と同様に、広く使用するには、そのメカニズムを基本的に把握する必要があります。弾性、ねじれ、力の原理を組み合わせたフックの法則は、ばねを扱う際に理解すべき重要な概念です。
弾性バネを所定の距離だけ伸ばしたり縮めたりするのに必要な力は、物理学の原理であるフックの法則によって決まります。 17 世紀初頭、ロバート フックという名前の英国の物理学者は、ばねに加えられた圧力がその弾性とどのように関連しているかを示そうと努めました。 1660 年に、彼は最初に法律をラテン語のアナグラムとして定式化しました。彼は 1678 年に「ut Tentens, sic vis」として答えを発表しました。これは、元の言語で「拡張として、したがって力」または「拡張は力に比例する」を意味します。
これを表す方程式は、F =-kx と書くことができます。ここで、k はばね定数で、F はひずみまたは応力の形でばねに適用されます。 x はスプリングがどれだけ伸びたかを示し、k はこのスプリングの硬さを示します。
フックの法則の例
フックの法則は、オブジェクトまたはマテリアルが変形後に元の形状に戻る能力を説明しています。 「復元力」とは、歪みを経て元の形に戻ろうとする力のことです。フックの法則によれば、経験される「ストレッチ」の量は、多くの場合、この復元力に比例します。
フックの法則はスプリングの動作を支配しますが、弾性オブジェクトが変形する他の多くのインスタンスにも適用されます。風船を膨らませたり輪ゴムを引っ張ったりすることは、単純なものから複雑なものまで、これらの活動の 2 つの例にすぎません。
てん輪の発明に加えて、この法則には、機械式時計、ばね秤、圧力計 (または圧力計) など、いくつかの実用的な用途と例がありました。このため、科学と工学の多くの分野が、ロバート フックがこの法則を発見したことに責任を負っています。地震学、分子力学、音響学などがその例です。
ただし、ほとんどの古典力学と同様に、フックの法則は狭い文脈でのみ適用されます。一定レベルの力または変形が含まれる場合、それは短時間しか適用されません。多くの材料では、フックの法則の弾性限界は、超えられるずっと前からです。
フックの法則は、ニュートンの静的平衡の原則と広い形で互換性があります。その結果、基本的な材料特性に基づいて、複雑なオブジェクトのひずみと応力の関係を判断することができます。たとえば、剛性 (k) は断面積に直接関係し、均一な断面の均一な棒の長さに反比例します。
さらに、フックの法則は熱力学の第一法則の完璧な例です。ばねを圧縮または伸張すると、ほとんどの場合、ほぼ完全にエネルギーが保存されます。自然摩擦は、エネルギー損失の唯一の原因です。また、フックの法則には波に似た周期関数があります。変形した位置から解放されたバネの周期関数は、対応する量の力で元の位置に戻ります。モーションの波長と周波数も測定できます。
応力とひずみに関するフックの法則によれば、弾性のある物体または物質のひずみまたは変形はその応力に比例すると断言しますが、現代の弾性理論は一般化された変形です。 「比例係数」には多数の独立した要素が含まれている可能性があるため、単一の実際の数ではない可能性があります。
フックの法則の応用
フックの法則は次のように使用できます。
- マノメーター、ぜんまい計、時計のてん輪はこの原理を利用しています。
- フックの法則のおかげで、地震学、音響学、分子力学の分野がすべて始まりました。
フックの法則の欠点
フックの法則には、次のようないくつかの欠点があります。
- フックの法則が適用されない場合、材料はもはや弾性ではありません。
- 力と変形が小さい場合、フックの法則は固体に適用されます。
- フックの法則は普遍的に適用されるわけではありません。限界点まで引き伸ばされていない素材にのみ適用されます。
結論
アイテムの比較的小さな変形の場合、応力と歪みに関するフックの法則、つまり 1660 年に英国の科学者ロバート フックによって発見された弾性の法則は、変形の変位または大きさが変形する力または荷重に正比例すると主張しています。
