- En què consisteix la força elàstica?
- fórmules
- Energia cinètica i energia potencial referida a una força elàstica
- Obtenció de l'energia potencial
- referències
La força elàstica és la força que un objecte exerceix per resistir a un canvi en la seva forma. Es manifesta en un objecte que tendeix a recuperar la seva forma quan està sota l'acció d'una força de deformació.
A la força elàstica també se l'anomena força restauradora perquè s'oposa a la deformació per retornar els objectes a la seva posició d'equilibri. La transferència de la força elàstica és a través de les partícules que integren els objectes.
Força elàstica d'un ressort
Per exemple, quan es comprimeix un ressort metàl·lic s'exerceix una força que empeny les partícules de l'ressort disminuint la separació entre elles, a el mateix temps, les partícules es resisteixen a ser empeses exercint una força contrària a la compressió.
Si en comptes de comprimir el ressort es llença, estirant, les partícules que l'integren se separen més. Així mateix, les partícules es resisteixen a separar-exercint una força contrària a l'estirament.
Els objectes que tenen la propietat de recuperar la seva forma original a l'oposar-se a la força de deformació es diuen objectes elàstics. Els ressorts, gomes elàstiques i cordes elàstiques són exemples d'objectes elàstics.
En què consisteix la força elàstica?
La força elàstica (F k) és la força que un objecte exerceix per recuperar el seu estat d'equilibri natural a l'haver estat afectat per una força externa.
Per analitzar la força elàstica es prendrà en compte el sistema ideal massa ressort que consisteix en un ressort col·locat horitzontalment subjecte d'un extrem a la paret i de l'altre extrem a un bloc de massa menyspreable. No s'ha de tenir en compte les altres forces que actuen sobre el sistema com el són la força de fricció o la força de gravetat.
Si s'exerceix una força horitzontal sobre la massa, dirigida cap a la paret, aquesta es transfereix cap al ressort comprimint. El ressort es desplaça de la seva posició d'equilibri cap a una nova posició. Com l'objecte tendeix a romandre en equilibri, es manifesta la força elàstica en el ressort que s'oposa a la força aplicada.
El desplaçament indica quant s'ha deformat el ressort i la força elàstica és proporcional a aquest desplaçament. A mesura que es comprimeix la molla la variació de la posició va augmentant i en conseqüència augmenta la força elàstica.
Com més es comprimeix el ressort més força d'oposició exerceix fins arribar a un punt en el qual la força aplicada i la força elàstica s'equilibren, en conseqüència el sistema massa ressort deixa de moure. A el deixar d'aplicar força l'única força que actua és la força elàstica. Aquesta força accelera el ressort en direcció contrària a la deformació fins recuperar l'estat d'equilibri.
De la mateixa manera passa a l'estirar el ressort halando la massa horitzontalment. El ressort s'estira i immediatament exerceix una força proporcional a el desplaçament oposant-se a l'estirament.
fórmules
La fórmula de la força elàstica s'expressa mitjançant la Llei de Hooke. Aquesta Llei estableix que la força elàstica lineal exercida per un objecte és proporcional a el desplaçament.
F k = -k.Δ s
F k = Força elàstica
Llei de Hooke. Força elàstica proporcional a l'estirament.
El signe negatiu en l'equació indica que la força elàstica de la molla està en direcció oposada a la força que va originar el desplaçament. La constant de proporcionalitat k és una constant que depèn de el tipus de material de què està constituït el ressort. La unitat de la constant k és N / m.
Els objectes elàstics tenen un límit d'elasticitat que dependrà de la constant de deformació. Si s'estira més enllà de el límit elàstic, es deformarà de forma permanent.
L'equació i s'aplica a petits desplaçaments de l'ressort. Quan els desplaçaments són més grans s'addicionen termes amb major potència de Δ x.
Energia cinètica i energia potencial referida a una força elàstica
La força elàstica realitza treball sobre el ressort desplaçant cap a la seva posició d'equilibri. Durant aquest procés l'energia potencial de sistema massa ressort augmenta. L'energia potencial deguda a la feina feta per la força elàstica s'expressa en l'equació.
L'energia potencial s'expressa en Joules (J).
A el deixar d'aplicar la força de deformació el ressort accelera cap a la posició d'equilibri disminuint l'energia potencial i augmentant l'energia cinètica.
L'energia cinètica de sistema massa ressort, quan arriba a la posició d'equilibri, es determina mitjançant equació.
La constant k de la molla és 35N / m.
Es necessita 1,75 N de força per deformar el ressort 5 cm.
Quina és la constant de deformació d'un ressort que s'estira 20 cm per l'acció d'una força de 60N?
La constant de la molla és 300N / m
Obtenció de l'energia potencial
Quina és l'energia potencial referida a la feina feta per la força elàstica d'un ressort que es comprimeix 10cm i la seva constant de deformació és 20N / m?
La força elàstica de la molla és -200N.
Aquesta força realitza treball sobre el ressort per desplaçar-lo cap a la seva posició d'equilibri. A l'realitzar aquest treball augmenta l'energia potencial de el sistema.
L'energia potencial es calcula amb l'equació
referències
- Kittel, C, Knight, WD i Ruderman, M A. Mechanics. US: Mc Graw Hill, 1973, Vol. I.
- Branca Reddy, K, Badami, SB i Balasubramanian, V. Oscillations and Waves. Índia: Universities Press, 1994.
- Murphy, J. Physics: understanging the properties of matter and energy. New York: Britannica Educational Publishing, 2015.
- Giordano, N J. College Physics: Reasoning and Relationships. Canada: Brooks / Cole, 2009.
- Walker, J, Halliday, D i Resnick, R. Fundamentals of Physics. US: Wiley, 2014.