Kodėl spyruoklė šokinėja?
Trumpas atsakymas: Spyruoklė šokinėja, nes ją tempiant arba suspaudžiant ji kaupia energiją, o vėliau ją išskiria ir juda atgal. Spyruoklės trauka (jos atstatymo jėga) ir pritvirtinta masė verčia ją svyruoti pirmyn ir atgal.
Kas iš tikrųjų vyksta?
Traukiant spyruoklę, jos vijos išsitempia, o viduje esantis metalas šiek tiek sulinksta. Šis lenkimas kaupia elastinę potencialinę energiją, kuri yra spyruoklėje sulaikoma energija. Atleidus spyruoklę, ji atsitraukia ir grįžta į savo formą.
Stūmimas priverčia viską, kas prie jos pritvirtinta, judėti, paversdama sukauptą energiją kinetine energija (judėjimo energija). Jei niekas jos nesustabdo, spyruoklė toliau juda už savo ramybės taško ir vėl yra traukiama atgal. Šis judėjimas pirmyn ir atgal vadinamas svyravimu.
Trintis ir oras sulėtina judėjimą, todėl atšokimas galiausiai sustoja, kai energija virsta šiluma arba garsu. Atšokimo greitis priklauso nuo spyruoklės standumo ir pritvirtintos masės.
Mokslinis paaiškinimas
Įvardyti dėsniai / principai: Huko dėsnis ir energijos tvermės dėsnis.
Huko dėsnis teigia, kad spyruoklės atkuriamoji jėga yra proporcinga jos ištempimo arba suspaudimo laipsniui: F = -kx, kur k yra spyruoklės konstanta (standumas), o x yra poslinkis. Deformuotoje spyruoklėje kaupiama elastinė potencialinė energija, kuri nedideliems tempimams yra lygi maždaug 1/2 kx^2. Išlaisvinta ši energija tampa masės kinetine energija, o vėliau, spyruoklei judant savo ciklą, grįžta į potencialinę energiją.
Dėl šių mainų vyksta paprastas harmoninis judėjimas, kai spyruoklė ir masė elgiasi tiesiškai, o trintis yra maža. Tikros spyruoklės taip pat pasižymi slopinimu: vidinė trintis ir oro pasipriešinimas kiekviename cikle pašalina energiją, todėl virpesiai išnyksta. Natūralus virpesių dažnis priklauso nuo k ir pritvirtintos masės; standesnės ir lengvesnės spyruoklės virpesiai išnyksta.
Kaip mes tai žinome: žmonės bandė spyruokles su svarmenimis ir išmatavo poslinkį bei laiką. Matematinės formulės atitinka daugelį eksperimentų, o inžinieriai jas naudoja projektuodami spyruokles mašinose ir prietaisuose.
Kasdieniai pavyzdžiai
- Šokinėjanti lazdelė, kurios vidinė spyruoklė kaupia ir išskiria energiją.
- Čiužinys arba sofos pagalvėlė, atsistojanti, kai sėdite, o vėliau nusėdanti.
- Automobilio pakabos spyruoklės, sugeriančios smūgius ir grąžinančios automobilį į horizontalią padėtį.
- Žaislinis „Slinky“ žaislas, leidžiantis laiptais žemyn, nes jo spyruoklės pakaitomis išsitempia ir atsipalaiduoja.
- Mechaninis laikrodis, naudojantis balansinę spyruoklę laikui matuoti.
Praktinis bandymas
Spyruoklės atšokimo bandymas
Sauga: Nenaudokite sunkių svarmenų; laikykite pirštus atokiau nuo suspaudimo vietų.
Priemonės
- maža spyruoklė
- sąvaržėlė arba kabliukas su lempute
- mažos poveržlės arba monetos
- chronometras arba telefono laikmatis
- liniuotė
Žingsniai
- Pritvirtinkite spyruoklę prie fiksuoto taško ir pakabinkite vieną poveržlę apačioje.
- Šiek tiek patraukite poveržlę žemyn ir atleiskite; paleiskite laikmatį ir skaičiuokite svyravimus 15 sekundžių.
- Liniuote išmatuokite, kiek žemyn patraukėte (poslinkis).
- Pridėkite kitą poveržlę ir pakartokite; palyginkite, kaip greitai ji svyruoja, kai masė didesnė. Ką tai rodo: Pridėjus masę, sulėtėja atšokimas ir parodoma, kaip masė ir spyruoklės standumas keičia svyravimo greitį.
Svarbūs žodžiai
- Huko dėsnis: taisyklė, teigianti, kad spyruoklės jėga yra proporcinga poslinkiui iš ramybės būsenos.
- Tamprumo potencialinė energija: energija, kaupiama, kai spyruoklė ar elastingas objektas yra tempiamas arba suspaudžiamas.
- Svyravimas: pasikartojantis judėjimas pirmyn ir atgal aplink centrinį tašką.
- Slopinimas: judėjimo energijos praradimas laikui bėgant dėl trinties arba oro pasipriešinimo.
Trumpi klausimai
Kodėl spyruoklė nustoja šokinėti?
Trintis ir oro pasipriešinimas paverčia spyruoklės energiją šiluma ir garsu, todėl judėjimas išnyksta.
Kodėl kai kurios spyruoklės šokinėja labiau nei kitos?
Standesnės spyruoklės (didesnė k) ir mažesnės apkrovos keičia spyruoklės atšokimo greitį ir stiprumą.
Ar spyruoklė gali atšokti amžinai?
Ne. Tikros spyruoklės praranda energiją kiekvieną ciklą, todėl galiausiai jos nustoja judėti.