A primavera é uma maravilha da engenharia e criatividade humanas. Essas funções, por sua vez, permitem a criação de muitos objetos feitos pelo homem, a maioria dos quais emergiu como parte da Revolução Científica durante os séculos XVII e XVIII.
Como um objeto elástico usado para armazenar energia mecânica, as aplicações são extensas, possibilitando sistemas de suspensão automotiva, relógios de pêndulo, tesouras manuais, brinquedos de corda, relógios, armadilhas para ratos, dispositivos digitais de micro-espelhos e, é claro, , o Slinky.
Como muitos outros dispositivos inventados ao longo dos séculos, é necessária uma compreensão básica da mecânica antes que ela possa ser amplamente utilizada. Em termos de molas, isso significa entender as leis da elasticidade, torção e força que entram em jogo - que juntas são conhecidas como Lei de Hooke.
A lei de Hooke é um princípio da física que afirma que a força necessária para estender ou comprimir uma mola a uma certa distância é proporcional a essa distância. A lei recebeu o nome do físico britânico Robert Hooke do século XVII, que procurou demonstrar a relação entre as forças aplicadas a uma mola e sua elasticidade.
Ele primeiro declarou a lei em 1660 como um anagrama latino e depois publicou a solução em 1678 como ut tensio, sic vis - traduzido, significa "como a extensão, portanto a força" ou "a extensão é proporcional à força").
Isso pode ser expresso matematicamente como F = -kX, Onde F é a força aplicada à mola (na forma de tensão ou tensão); X é o deslocamento da mola, com um valor negativo demonstrando que o deslocamento da mola depois de esticado; e k é a constante da primavera e detalha o quão rígida é.
A lei de Hooke é o primeiro exemplo clássico de uma explicação da elasticidade - que é a propriedade de um objeto ou material que faz com que ele seja restaurado à sua forma original após distorção. Essa capacidade de retornar a uma forma normal após sofrer distorção pode ser chamada de "força restauradora". Entendida em termos da Lei de Hooke, essa força restauradora geralmente é proporcional à quantidade de "alongamento" experimentado.
Além de governar o comportamento das molas, a Lei de Hooke também se aplica a muitas outras situações em que um corpo elástico é deformado. Isso pode incluir qualquer coisa, desde inflar um balão e puxar um elástico até medir a quantidade de força do vento necessária para fazer um edifício alto dobrar e balançar.
Essa lei teve muitas aplicações práticas importantes, sendo uma delas a criação de uma roda de balanço, que possibilitou a criação do relógio mecânico, do relógio portátil, da balança de mola e do manômetro (também conhecido como manômetro). Além disso, por ser uma aproximação aproximada de todos os corpos sólidos (contanto que as forças de deformação sejam pequenas o suficiente), numerosos ramos da ciência e da engenharia também deviam a Hooke por ter adotado essa lei. Isso inclui as disciplinas de sismologia, mecânica molecular e acústica.
No entanto, como a maioria dos mecânicos clássicos, a Lei de Hooke funciona apenas dentro de um quadro de referência limitado. Como nenhum material pode ser comprimido além de um determinado tamanho mínimo (ou esticado além de um tamanho máximo) sem alguma deformação permanente ou mudança de estado, ele só se aplica desde que haja uma quantidade limitada de força ou deformação. De fato, muitos materiais desviarão-se visivelmente da lei de Hooke muito antes que esses limites elásticos sejam alcançados.
Ainda assim, em sua forma geral, a Lei de Hooke é compatível com as leis de Newton do equilíbrio estático. Juntos, eles permitem deduzir a relação entre tensão e tensão para objetos complexos em termos de materiais intrínsecos das propriedades de que são feitos. Por exemplo, pode-se deduzir que uma haste homogênea com seção transversal uniforme se comportará como uma simples mola quando esticada, com uma rigidez (k) diretamente proporcional à sua área de seção transversal e inversamente proporcional ao seu comprimento.
Outra coisa interessante sobre a lei de Hooke é que é um exemplo perfeito da Primeira Lei da Termodinâmica. Qualquer mola quando comprimida ou estendida conserva quase perfeitamente a energia aplicada a ela. A única energia perdida é devido ao atrito natural.
Além disso, a lei de Hooke contém uma função periódica semelhante a uma onda. Uma mola liberada de uma posição deformada retornará à sua posição original com força proporcional repetidamente em uma função periódica. O comprimento de onda e a frequência do movimento também podem ser observados e calculados.
A moderna teoria da elasticidade é uma variação generalizada da lei de Hooke, que afirma que a tensão / deformação de um objeto ou material elástico é proporcional à tensão aplicada a ele. No entanto, como tensões e deformações gerais podem ter múltiplos componentes independentes, o “fator de proporcionalidade” pode não ser mais apenas um número real.
Um bom exemplo disso seria ao lidar com o vento, onde o estresse aplicado varia em intensidade e direção. Em casos como esses, é melhor empregar um mapa linear (também conhecido como tensor) que pode ser representado por uma matriz de números reais em vez de um único valor.
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Também existem ótimos recursos on-line, como esta palestra sobre a Lei de Hooke, que você pode assistir no academicearth.org. Há também uma ótima explicação sobre elasticidade no howstuffworks.com.
Você também pode ouvir o Episódio 138, Mecânica Quântica do Astronomy Cast para obter mais informações.
Fontes:
Hiperfísica
Física 24/7
