ТЕМА: Визначення коефіцієнту жорсткості різних пружин

https://www.youtube.com/watch?v=DpflsOdCwjk

З точки зору класичної фізики пружину можна назвати пристроєм, який накопичує потенційну енергію шляхом зміни відстані між атомами матеріалу, з якого ця пружина зроблена. По виду сприйманого навантаження пружини диференціюються  на: пружини стиснення, пружини вигину, пружини кручення і пружини розтягування. При характеристиці кожної такої пружини важливе значення приділяється коефіцієнту її жорсткості.

Вам знадобиться

- пружина;

- лінійка;

- вантаж;

- ручка;

- зошит;

- калькулятор.

Інструкція

1

Зверніть увагу на те, що при деформації пружини виникає сила, яка прагне відновити початкові розміри і форму даного тіла. Дана сила викликана електромагнітним впливом, що виникають між атомами і молекулами речовини, з якого зроблена пружина. Ця сила називається силою пружності. Найпростіший вид - деформація розтягування і стиснення.

2

Закріпіть вертикально один кінець пружини, другий же її кінець залиште вільним. Потім лінійкою виміряйте довжину даної                                         пружини: отриманий результат запишіть в зошити, позначивши його х1.

3

Підвісьте на вільний кінець пружини стограмовий вантаж і повторно виміряйте її довжину. Отриманий в ході вимірювання результат запишіть в зошит, позначивши його х2.

4

Розрахуйте абсолютне подовження стрижня, яке представляє собою різницю між х2 і х1. При невеликих ушкодженнях або сжатіях пружини сила пружності є пропорційною деформації: вона спрямована в протилежний бік від переміщення частинок тіла при деформації. Тобто, Fупр = | kx |, де k і є коефіцієнтом жорсткості. Це співвідношення виражає суть закону Гука. А значить, щоб знайти коефіцієнт жорсткості пружини, слід силу розтягування тіла розділити на подовження даної пружини.

5

Не знаючи, чому дорівнює сила розтягування пружини, неможливо обчислити коефіцієнт її жорсткості, тому знайдіть силу розтягування. Сила пружності або розтягування врівноважує силу тяжіння, що діє на підвішений вантаж. Ця сила виникає виключно при деформації тіла. Отже, Fупр = - N = -mg. Звідси випливає, що mg = kx. А значить, k = mg / x. Підставте відомі значення в формулу і розрахуйте коефіцієнт жорсткості пружини.

Зверніть увагу

Пам'ятайте: підставляються в формулу величини переведені повинні бути в систему СІ.

Корисна порада

Коефіцієнт жорсткості пружини залежить від матеріалу, з якого зроблено дане тіло, а також довжини пружини і форми.

 Як знайти коефіцієнт жорсткості

Жорсткість - це здатність деталі або конструкції протидіяти прикладеної до нього зовнішній силі, по можливості зберігаючи свої геометричні параметри. Основна характеристика жорсткості - коефіцієнт жорсткості.

Вам знадобиться

- ресора пружина;

- вантажі з певною масою;

- лінійка;

- зошит для записів;

- калькулятор.

Інструкція

1

Уявіть, що ви вирішили своїми руками спорудити вантажний візок для мотоцикла або автомобіля, щоб вивозити сміття з двору, привозити з поля урожай і так далі. Бажано, щоб візок була на ресорах. Якщо у вас є пружинні ресори, і ви знаєте їх коефіцієнт жорсткості, ви можете вирахувати, який маси вантаж вони здатні нести. Коефіцієнт жорсткості також можна обчислити досвідченим шляхом.

2

Різні пружини призначені для роботи на стиск, розтяг, кручення або вигин. У школі на уроках фізики дітей вчать визначати коефіцієнт жорсткості пружини, яка працює на розтяг. Для цього на штативі вертикально підвішується пружина у вільному стані. Один з учнів за допомогою лінійки заміряє її довжину. І результат записується в зошит як L 1 =.

3

Потім до нижнього кінця підвішується вантаж визначеної маси, наприклад, 0.1 кг. Він впливає на пружину, розтягуючи її, з силою 1Ньютон (1Н). Напарник вимірює вийшла довжину розтягнутої пружини. Показання L 2, яке, природно, буде великим, також записується в зошит як L 2 =.

Простим арифметичною дією L 2 - L 1 = знаходиться величина розтягування L.

4

Згідно із законом Гука: F упр. = KL. Отже, щоб знайти коефіцієнт пружності (k), треба силу розтягування пружини (F) розділити на величину подовження (L). k = F / L.

5

Щоб досвідченим шляхом визначити коефіцієнт пружності заготовленої вами для візка пружини, її треба буде стискати. Ця робота значно складніше виконуваної в шкільній лабораторії. По-перше, заміряйте довжину пружини у вільному стані і запишіть результат (L 1).

6

Встановіть пружину вертикально в яку-небудь гільзу, залишивши вільної невелику верхню частину. Візьміть певний вантаж, наприклад, гімнастичну гирю 16, 24 або 32 кг. Встановіть її на верхній торець пружини і відзначте на гільзі або безпосередньо виміряйте лінійкою довжину стислої пружини (L 2). Обережно зніміть гирю.

7

Розрахуйте значення L як різницю: L 1 - L 2. Підставте значення в уже відому формулу k = F / L. Підбирайте по формулі F = kL допустиму масу вантажу, що перевозиться, виходячи з величини стиснення пружини.

Зверніть увагу

Проявляйте максимальну обережність при роботі з пружиною. Вона, прагнучи розпрямитися, в будь-який момент може "вистрілити" в непередбачуваному напрямку і нанести каліцтво.

 Як знайти силу тяжіння

Сила тяжіння - це така сила, яка показує ступінь тяжіння тіла до Землі під силою її тяжіння. Вона безпосередньо залежить від маси тіла. Розрахувати силу тяжіння досить легко.

Вам знадобиться

-Маса тіла;

-Значення прискорення вільного падіння (константа, g = 9, 8 м / с?)

Припустимо, є тіло, яке лежить на землі. Його маса дорівнює m. Тоді для того, щоб дізнатися, якою силою тяжіння володіє дане тіло, потрібно помножити масу даного тіла на значення прискорення вільного падіння:
F = m * g.

Зверніть увагу

1) Величина g в різних куточках світу трохи змінюється. Наприклад, в Москві g = 9, 8154 м / с?, А в Каїрі g = 9, 79317 м / с ².
2) Чи варто відзначити, що прискорення вільного падіння (як наслідок, і сила тяжіння) залежить від:
- Маси планети;
- радіус даної планети;
- Висоти тіла над поверхнею планети;

- Географічного розташування на планеті - на Землі, на екваторі g = 9.78 м / с?, А на полюсі 9.83 м / с?;
- Від наявності корисних копалин. Наприклад - залізної руди, яка має яскраво вираженими магнітними властивостями.

Корисна порада

1) Не дивлячись на те, що g є величиною постійною, для технічних розрахунків користуються значенням g = 9, 81 м / с ².
2) Якщо мова йде про вимірювання ваги тіла, то чисельно він дорівнює силі тяжіння.
3) Найчастіше, коли тіло розташоване на якийсь опорі, то приймають до розгляду так звану "силу опору опори". Вона прямо пропорційна силі тяжіння, а так само залежить від фізичних характеристик самої опори, до якої прикладена сила тяжіння даного тіла.

 Як визначити жорсткість пружини

Пружини - це компонент підвіски автомобіля, які захищають автомобіль не тільки від нерівностей дороги, а й забезпечують потрібну висоту кузова над дорогою, що в значній мірі впливає на керованість транспортного засобу, комфорт та його вантажопідйомність. В результаті тестів для кожного автомобіля підбирається оптимальна жорсткість пружин підвіски під певні умови руху.

Інструкція

1

При виникненні "пробоїв" підвіски пружина вважається занадто м'якою. У таких ситуаціях автолюбителі стають нестабільними в управлінні. В ідеалі зусилля пружини має дорівнювати величині, що запобігає надмірний крен кузова.
Жорсткіших пружин вимагають автомобілі, які підготовлені для гонок. У різних типах гонок застосування одного і того ж автомобіля передбачає встановлення пружин з різною жорсткість ю. Звертайте увагу при проходженні будь-яких поворотів на крен кузова, який при правильно підібраних пружинах повинен бути не більше двох-трьох градусів.

2

Для передньої і задньої підвіски підбирайте пружини по жорсткості парами. Однак не відразу можна добитися бажаної висоти підвіски, тому що пружина вмощується і в певний момент може "губитися", що зовсім погано. Це відбувається через нестачу несучої здатності навіть при повному стисненні, але з жорсткість ю, що забезпечує потрібну висоту підвіски. Визначається це завжди легко: між витками пружини повинен бути зазор менше 4 мм.

3

Вибирайте пружини так, щоб при заправленому автомобілі зазор між витками пружин був трохи більше 6, 5 мм. Бажано встановлювати найм'якші пружини, хоч вони і будуть давати крен машини в допустимих межах. Застосовувати жорсткі пружини, спираючись на думку, що вони знижують крен автомобіля, покращуючи керованість, як правило, некоректно.

4

Перевіряйте жорсткість пружини за кодом вироби або по нанесеним мітках (штампуванням або фарбою). Також визначати жорсткість пружин можна за допомогою ручного преса, підлогових ваг і мірильною лінійки в кілограмах на сантиметр.
На побутові підлогові ваги укладається брусок дерева (товщина не менше 12 мм) по площі більшій площі торця пружини, а зверху встановлюється пружина. Потім на верхній торець пружини кладеться другий брусок дерева і вимірюється довжина пружини. За допомогою преса пружину стискають до певної величини (наприклад, 30 мм) і знімають показання ваг, обчислюючи тим самим жорсткість.

Зверніть увагу

Зусилля натискання на пружину вимірюється за показаннями ваг, але такий спосіб визначення жорсткості пружин небезпечний, так як пружина може відлетіти на досить велику відстань.