本文解释什么是弹力(或恢复力)。因此,您将了解如何计算弹力、其特性以及解决的弹力练习。
什么是弹力?
弹性力,也称为恢复力,是弹性材料变形时所施加的力。更准确地说,弹力与使弹性体变形的力具有相同的大小和方向,但方向相反。
此外,弹性体发生的变形越大,即弹性体被拉长或压缩得越多,弹力的模量就越大。
因此,弹簧总是在与施加到其上的外力相反的方向上施加弹力。
在物理学中,经常解决与弹簧相关的问题来理解弹力的概念。然后我们将看到弹力是如何计算的以及如何解决此类问题。
弹力公式
弹簧施加的弹力等于弹簧的弹性常数减去弹簧的位移。
因此,弹力的公式如下:
金子:
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是弹力,以牛顿表示。
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为弹簧的弹性常数,单位为N/m。
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是施加外力时弹簧所经历的伸长量,以米表示。
注:负号只是表示弹力的方向与施加在弹簧上的外力方向相反。重要的是,弹力的模量等于弹性常数乘以位移。
因此,弹力公式由胡克弹性定律定义。
另一方面,当弹簧拉伸或压缩时,势能被存储。因此,弹性势能的计算公式如下:
弹力示例
一旦我们了解了弹力的定义,我们就会看到一个如何计算此类力的已解决示例。
- 弹性常数为 170 N/m 的弹簧可拉伸超过 45 cm。弹簧将施加多大的弹力?
为了确定弹力,我们必须使用上面看到的公式:
但是,在使用公式之前,您需要将偏移的长度转换为米:
最后,将弹性常数和弹簧位移的数据代入公式计算出弹力:
弹力练习已解决
练习1
一个质量为 8 公斤的物体悬挂在垂直弹簧上。如果弹簧的弹性常数为 350 N/m,弹簧会拉伸多少? (g=10m/s 2 )
首先,我们需要计算质量施加在弹簧上的重量的力。为此,只需将质量乘以重力即可:
一旦我们知道了施加在弹簧上的力,我们就可以使用弹力公式:
我们求解公式的推广:
最后,我们将这些值代入公式并计算弹簧的伸长率:
练习2
当对弹簧施加 50 N 的力时,弹簧会拉伸 12 厘米。如果向弹簧施加 78 N 的力,弹簧会拉伸多少?
为了计算弹簧的伸长率,我们必须首先确定其弹性常数。因此,我们根据弹力公式求解弹性常数:
练习3
我们将一个质量为 m=7 kg 的球放置在水平位置的弹簧旁边,其弹性常数为 560 N/m。如果我们推动球并将弹簧压缩 8 厘米,那么弹簧就会推动球并返回到其原始位置。球以多大的加速度离开弹簧?在整个练习过程中忽略摩擦。
首先,我们必须计算推动球和压缩弹簧所施加的力。为此,我们应用胡克定律中的公式:
为了很好地理解这一部分,你需要明确弹力的概念。当一个力作用在弹簧上时,它也会产生一个大小和方向相同但方向相反的反作用力(作用-反作用原理)。因此,弹簧施加在球上的力与上面计算的力具有相同的大小:
最后,为了确定球的加速度,我们必须应用牛顿第二定律:
因此,我们从公式中求解加速度,并代入数据以求出球的加速度值: