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Wie wird die Körpersteifigkeit gemessen? Formel für die Federsteifigkeit. Eine andere Möglichkeit, die Formel zu schreiben: Young-Koeffizient

GewaltElastizität- Das ist die Macht die auftritt, wenn der Körper deformiert wird und die darauf abzielt, die vorherige Form und Größe des Körpers wiederherzustellen.

Die elastische Kraft entsteht durch elektromagnetische Wechselwirkung zwischen den Molekülen und Atomen eines Stoffes.

Die einfachste Form der Verformung lässt sich am Beispiel der Kompression und Dehnung einer Feder betrachten.

In diesem Bild (x>0) — Zugverformung; (X< 0) — Kompressionsverformung. (Fx) - äußere Kraft.

Für den Fall, dass die Verformung am unbedeutendsten, d.

Fx = Fcontrol = - kx

Mit dieser Beziehung wird das experimentell etablierte Hookesche Gesetz ausgedrückt. Koeffizient k Sie wird allgemein als Steifheit des Körpers bezeichnet. Die Steifigkeit eines Körpers wird in Newton pro Meter (N/m) gemessen und hängt von der Größe und Form des Körpers sowie von den Materialien ab, aus denen der Körper besteht.

In der Physik wird das Hookesche Gesetz zur Bestimmung der Druck- oder Zugverformung eines Körpers in einer völlig anderen Form geschrieben. In diesem Fall spricht man von der relativen Verformung


Robert Hooke

(18.07.1635 - 03.03.1703)

Englischer Naturforscher, Enzyklopädist

Attitüde ε = x/l . Gleichzeitig ist Spannung die Querschnittsfläche eines Körpers nach relativer Verformung:

σ = F / S = -FKontrolle / S

In diesem Fall wird das Hookesche Gesetz wie folgt formuliert: Die Spannung σ ist proportional zur relativen Verformung ε . In dieser Formel der Koeffizient E wird als Elastizitätsmodul bezeichnet. Dieses Modul hängt nicht von der Form des Körpers und seinen Abmessungen ab, sondern hängt gleichzeitig direkt von den Eigenschaften der Materialien ab, aus denen der Körper besteht. Bei verschiedenen Materialien schwankt der Elastizitätsmodul in einem ziemlich großen Bereich. Beispielsweise gilt für Gummi E ≈ 2·106 N/m2 und für Stahl E ≈ 2·1011 N/m2 (also fünf Größenordnungen mehr).

Es ist durchaus möglich, das Hookesche Gesetz zu verallgemeinern, wenn komplexere Verformungen auftreten. Betrachten Sie beispielsweise die Biegeverformung. Betrachten wir eine Stange, die auf zwei Stützen ruht und eine erhebliche Durchbiegung aufweist.

Auf diesen Körper wirkt von Seiten der Stütze (bzw. Aufhängung) eine elastische Kraft, die Stützreaktionskraft. Die Reaktionskraft des Trägers beim Kontakt der Körper wird streng senkrecht zur Kontaktfläche gerichtet. Diese Kraft wird üblicherweise als Normaldruckkraft bezeichnet.

Betrachten wir die zweite Option. Der Körper liegt auf einem stationären horizontalen Tisch. Dann gleicht die Reaktion der Stütze die Schwerkraft aus und ist vertikal nach oben gerichtet. Darüber hinaus gilt das Körpergewicht als die Kraft, mit der der Körper auf den Tisch einwirkt.

STEIFIGKEIT

STEIFIGKEIT

Ein Maß für die Nachgiebigkeit eines Körpers gegenüber Verformungen unter einer bestimmten Belastungsart: Je mehr Flüssigkeit, desto weniger. In der Festigkeitslehre und der Elastizitätstheorie wird Flüssigkeit durch einen Koeffizienten (oder die gesamte innere Kraft) und eine charakteristische Verformung des elastischen Festkörpers charakterisiert. Körper. Bei Zug-Druck des Stabes spricht man von. Koeffizient ES im Verhältnis e=P/(ES) zwischen der Zugkraft (Druckkraft) P und relativ. Dehnung k des Stabes (5 – Querschnittsfläche, E – Elastizitätsmodul, (siehe ELASTISCHE MODULE). Wenn ein runder Stab torsionsverformt wird, wird der Wert GIð genannt, der im Verhältnis q = M/GIp enthalten ist, wobei G ist der Schubmodul, Ið – Polarquerschnitt, M ​​– Drehmoment, q – relativer Verdrehungswinkel des Stabes. Beim Biegen eines Balkens geht EI in das Verhältnis c = M/E1 zwischen dem Biegemoment M (Moment der Normalspannung in) ein der Querschnitt) und die Krümmung c der gekrümmten Achse des Balkens (/ ist das axiale Trägheitsmoment des Querschnitts) wird das Konzept der zylindrischen Flüssigkeit verwendet: D = Eh3 12 (1-v2), wobei h die Dicke (der Schale) und v der Poisson-Koeffizient einiger komplexer Strukturen ist.

Physikalisches enzyklopädisches Wörterbuch. - M.: Sowjetische Enzyklopädie. . 1983 .

STEIFIGKEIT

Die Fähigkeit eines Körpers oder einer Struktur, der Bildung zu widerstehen Verformungen. Wenn das Material gehorcht Hookesches Gesetz, dann sind die Eigenschaften von J. Elastizitätsmodule E - unter Zug, Druck, Biegung und G- beim Schalten. ES im Verhältnis e= F/ES zwischen Zugkraft (Druckkraft). F und bezieht sich darauf. Dehnung e eines Stabes mit Querschnittsfläche S. Wenn ein Stab mit kreisförmigem Querschnitt torsioniert wird, wird die Flüssigkeit durch den Wert charakterisiert GI p(Wo Ip- polares Trägheitsmoment des Abschnitts) im Verhältnis q=M/GI p, zwischen dem Drehmoment M und bezieht sich darauf. Verdrehungswinkel der Stange q. Beim Biegen eines Balkens ist der Wert gleich EI, ist im Verhältnis enthalten ( =M/EI zwischen Biegemoment M(Moment der Normalspannungen im Querschnitt) und die Krümmung der gekrümmten Achse des Balkens (,(wobei ICH- axiales Trägheitsmoment des Querschnitts) und beim Biegen von Platten und Schalen wird unter Flüssigkeit ein Wert gleich Eh 3 /12(l - n 2) verstanden, wobei h die Dicke der Platte (Schale) ist, n ist der Koeffizient. Poisson. UND. hat Kreaturen. Wert bei der Berechnung von Tragwerken auf Stabilität.

Physische Enzyklopädie. In 5 Bänden. - M.: Sowjetische Enzyklopädie. Chefredakteur A. M. Prokhorov. 1988 .


Synonyme:

Antonyme:

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Definition

Die Kraft, die durch Verformung eines Körpers entsteht und versucht, ihn in seinen ursprünglichen Zustand zurückzubringen, heißt elastische Kraft.

Am häufigsten wird es mit $(\overline(F))_(upr)$ bezeichnet. Die elastische Kraft tritt nur dann auf, wenn der Körper deformiert wird, und verschwindet, wenn die Verformung verschwindet. Wenn der Körper nach Entfernen der äußeren Belastung seine Größe und Form vollständig wiederherstellt, spricht man von einer solchen Verformung.

I. Newtons Zeitgenosse R. Hooke stellte die Abhängigkeit der elastischen Kraft von der Größe der Verformung fest. Hooke zweifelte lange an der Gültigkeit seiner Schlussfolgerungen. In einem seiner Bücher formulierte er sein Gesetz verschlüsselt. Was bedeutete: „Ut tensio, sic vis“, übersetzt aus dem Lateinischen: So ist die Dehnung, so ist die Kraft.

Betrachten wir eine Feder, die einer Zugkraft ($\overline(F)$) ausgesetzt ist, die vertikal nach unten gerichtet ist (Abb. 1).

Wir nennen die Kraft $\overline(F\ )$ die Verformungskraft. Durch den Einfluss der Verformungskraft vergrößert sich die Länge der Feder. Dadurch entsteht in der Feder eine elastische Kraft ($(\overline(F))_u$), die die Kraft $\overline(F\ )$ ausgleicht. Wenn die Verformung klein und elastisch ist, ist die Dehnung der Feder ($\Delta l$) direkt proportional zur Verformungskraft:

\[\overline(F)=k\Delta l\left(1\right),\]

wobei der Proportionalitätskoeffizient als Federsteifigkeit (Elastizitätskoeffizient) $k$ bezeichnet wird.

Steifigkeit (als Eigenschaft) ist ein Merkmal der elastischen Eigenschaften eines verformten Körpers. Unter Steifigkeit versteht man die Fähigkeit des Körpers, äußeren Kräften zu widerstehen und seine geometrischen Parameter beizubehalten. Je größer die Federsteifigkeit ist, desto weniger verändert sie ihre Länge unter dem Einfluss einer bestimmten Kraft. Der Steifigkeitskoeffizient ist das Hauptmerkmal der Steifigkeit (als Eigenschaft eines Körpers).

Der Federsteifigkeitskoeffizient hängt vom Material ab, aus dem die Feder besteht, und von ihren geometrischen Eigenschaften. Beispielsweise kann der Steifigkeitskoeffizient einer verdrillten zylindrischen Feder, die aus einem kreisförmigen Draht gewickelt ist und entlang ihrer Achse einer elastischen Verformung ausgesetzt ist, wie folgt berechnet werden:

wobei $G$ der Schermodul ist (ein Wert, der vom Material abhängt); $d$ - Drahtdurchmesser; $d_p$ - Federwindungsdurchmesser; $n$ – Anzahl der Federwindungen.

Die Einheit des Internationalen Einheitensystems (SI) für die Steifigkeit ist Newton dividiert durch Meter:

\[\left=\left[\frac(F_(upr\ ))(x)\right]=\frac(\left)(\left)=\frac(N)(m).\]

Der Steifigkeitskoeffizient ist gleich der Kraft, die auf die Feder ausgeübt werden muss, um ihre Länge pro Distanzeinheit zu ändern.

Formel für die Steifigkeit der Federverbindung

Es seien $N$ Federn in Reihe geschaltet. Dann beträgt die Steifigkeit der gesamten Verbindung:

\[\frac(1)(k)=\frac(1)(k_1)+\frac(1)(k_2)+\dots =\sum\limits^N_(\ i=1)(\frac(1) (k_i)\left(3\right),)\]

wobei $k_i$ die Steifigkeit der $i-ten$ Feder ist.

Wenn Federn in Reihe geschaltet werden, wird die Steifigkeit des Systems wie folgt bestimmt:

Beispiele für Probleme mit Lösungen

Beispiel 1

Übung. Eine Feder ohne Last hat eine Länge von $l=0,01$ m und eine Steifigkeit gleich 10 $\frac(N)(m).\ $Wie groß sind die Steifigkeit der Feder und ihre Länge, wenn eine Kraft von $F$= 2 N wird auf die Feder ausgeübt? Betrachten Sie die Federverformung als klein und elastisch.

Lösung. Die Federsteifigkeit bei elastischen Verformungen ist ein konstanter Wert, was bedeutet, dass in unserem Problem:

Für elastische Verformungen gilt das Hookesche Gesetz:

Aus (1.2) ermitteln wir die Dehnung der Feder:

\[\Delta l=\frac(F)(k)\left(1.3\right).\]

Die Länge der gedehnten Feder beträgt:

Berechnen wir die neue Länge der Feder:

Antwort. 1) $k"=10\ \frac(N)(m)$; 2) $l"=0,21$ m

Beispiel 2

Übung. Zwei Federn mit den Steifigkeiten $k_1$ und $k_2$ sind in Reihe geschaltet. Wie groß ist die Längenausdehnung der ersten Feder (Abb. 3), wenn die Länge der zweiten Feder um $\Delta l_2$ zunimmt?

Lösung. Wenn die Federn in Reihe geschaltet sind, ist die Verformungskraft ($\overline(F)$), die auf jede der Federn wirkt, gleich, das heißt, wir können für die erste Feder schreiben:

Zum zweiten Frühling schreiben wir:

Wenn die linken Seiten der Ausdrücke (2.1) und (2.2) gleich sind, können die rechten Seiten gleichgesetzt werden:

Aus Gleichung (2.3) erhalten wir die Dehnung der ersten Feder:

\[\Delta l_1=\frac(k_2\Delta l_2)(k_1).\]

Antwort.$\Delta l_1=\frac(k_2\Delta l_2)(k_1)$

Laborarbeit Nr. 1.

Untersuchung der Abhängigkeit der Körpersteifigkeit von ihrer Größe.

Ziel der Arbeit: Berechnen Sie anhand der Abhängigkeit der elastischen Kraft von der absoluten Dehnung die Steifigkeit von Federn unterschiedlicher Länge.

Ausrüstung: Stativ, Lineal, Feder, Gewichte à 100 g.

Theorie. Unter Verformung versteht man eine Veränderung des Volumens oder der Form eines Körpers unter dem Einfluss äußerer Kräfte.Wenn sich der Abstand zwischen Teilchen einer Substanz (Atome, Moleküle, Ionen) ändert, ändern sich die Wechselwirkungskräfte zwischen ihnen. Mit zunehmender Entfernung nehmen die Anziehungskräfte der Verbrennung zu, mit abnehmender Entfernung nehmen die Abstoßungskräfte zu. die danach streben, den Körper wieder in seinen ursprünglichen Zustand zu versetzen. Daher sind elastische Kräfte elektromagnetischer Natur. Die elastische Kraft ist immer auf die Gleichgewichtslage gerichtet und hat das Ziel, den Körper in seinen ursprünglichen Zustand zurückzuführen. Die elastische Kraft ist direkt proportional zur absoluten Dehnung des Körpers: .

Hookes Gesetz: Die elastische Kraft, die bei der Verformung eines Körpers entsteht, ist direkt proportional zu seiner Dehnung (Kompression) und ist der Bewegung der Körperpartikel bei der Verformung entgegengesetzt., x = Δ l - Verlängerung des Körpers, k Härtekoeffizient[k] = N/m. Der Steifigkeitskoeffizient hängt von der Form und Größe des Körpers sowie vom Material ab. Sie entspricht numerisch der elastischen Kraft, wenn der Körper um 1 m gedehnt (staucht) wird.

Diagramm der Projektion der elastischen Kraft F X durch die Verlängerung des Körpers.

Aus der Grafik geht klar hervor, dass tgα = k. Mit dieser Formel bestimmen Sie in dieser Laborarbeit die Steifigkeit des Körpers.

Die Reihenfolge der Arbeit.

1. Befestigen Sie die Feder auf halber Länge im Stativ.

2. Messen Sie die ursprüngliche Länge der Feder mit einem Lineal l 0 .

3. Hängen Sie eine Last mit einem Gewicht von 100 g auf.

4.Messen Sie die Länge der verformten Feder mit einem Lineal l.

5. Berechnen Sie die Dehnung der Feder x 1 = Δ l = l l 0 .

6. Auf eine relativ zu einer Feder ruhende Last wirken zwei

sich gegenseitig kompensierende Kräfte: Schwerkraft und Elastizität

7. Berechnen Sie die elastische Kraft mithilfe der Formel, g = 9,8 m/s 2 - Beschleunigung im freien Fall
8. Hängen Sie eine Last mit einem Gewicht von 200 g auf und wiederholen Sie den Versuch gemäß den Schritten 4–6.

9. Tragen Sie die Ergebnisse in die Tabelle ein.

Tisch.

NEIN.

Anfangslänge, m

Endgültige Länge, m

Absolute Dehnung

Elastische Kraft

Härte,

tgα =k, N/m

10. Wählen Sie ein Koordinatensystem und konstruieren Sie esDiagramm der Projektion der elastischen Kraft F Kontrolle aus Federverlängerung.

11. Messen Sie mit einem Winkelmesser den Winkel zwischen der Geraden und der Abszissenachse.

12.Verwenden Sie die Tabelle, um den Tangens des Winkels zu ermitteln.

13. Ziehen Sie eine Schlussfolgerung über den Wert der Steifigkeit 1 und tragen Sie das Ergebnis in die Tabelle ein.

14. Befestigen Sie die Feder in voller Länge im Stativ und wiederholen Sie den Versuch Punkt für Punkt 4-13.

15.Werte vergleichen k 1 und k 2 .

16.Ziehen Sie eine Schlussfolgerung über die Abhängigkeit der Steifigkeit von Federparametern.

ZU Testfragen.

1. Die Abbildung zeigt ein Diagramm der Abhängigkeit des Elastizitätskraftmoduls von der Dehnung der Feder. Bestimmen Sie mithilfe des Hookeschen Gesetzes die Federsteifigkeit.

Geben Sie die physikalische Bedeutung des Tangens des Winkels zwischen der Geraden und der Abszissenachse an, der Fläche des Dreiecks unter dem Abschnitt OA des Diagramms.

2. Eine Feder mit einer Steifigkeit von 200 N/m wurde in 2 gleiche Teile geschnitten. Welche Steifigkeit hat jede Feder?

3. Geben Sie die Angriffspunkte der elastischen Kraft der Feder, der Schwerkraft und des Gewichts der Last an.

4. Nennen Sie die Art der elastischen Kraft der Feder, die Schwerkraft und das Gewicht der Last.

5. Lösen Sie das Problem. Um die Feder um 4 mm zu dehnen, müssen 0,02 J Arbeit verrichtet werden. Wie viel Arbeit muss geleistet werden, um die Feder um 4 cm zu dehnen?

Je mehr Verformung ein Körper erfährt, desto größer ist die in ihm erzeugte elastische Kraft. Dies bedeutet, dass Verformung und elastische Kraft miteinander zusammenhängen und man durch die Änderung eines Werts die Änderung des anderen beurteilen kann. Wenn man also die Verformung eines Körpers kennt, ist es möglich, die in ihm auftretende elastische Kraft zu berechnen. Oder bestimmen Sie bei Kenntnis der elastischen Kraft den Verformungsgrad des Körpers.

Wenn an einer Feder unterschiedlich viele Gewichte gleicher Masse aufgehängt sind, dann dehnt sich die Feder umso stärker, je mehr davon aufgehängt sind. Je stärker eine Feder gedehnt wird, desto größer ist die in ihr erzeugte elastische Kraft. Darüber hinaus zeigt die Erfahrung, dass jedes weitere aufgehängte Gewicht die Federlänge um den gleichen Betrag verlängert.

Wenn also beispielsweise die ursprüngliche Länge der Feder 5 cm betrug und durch das Aufhängen eines Gewichts daran die Feder um 1 cm verlängert wurde (d. h. die Feder wurde 6 cm lang), dann wird sie durch das Aufhängen von zwei Gewichten um 2 cm verlängert (d. h. die Feder wurde 6 cm lang). Die Gesamtlänge beträgt 7 cm) und drei mal 3 cm (die Länge der Feder beträgt 8 cm).

Schon vor dem Experiment ist bekannt, dass das Gewicht und die unter seiner Einwirkung entstehende elastische Kraft direkt proportional zueinander sind. Bei mehrfacher Gewichtszunahme erhöht sich die Elastizitätsfestigkeit um den gleichen Betrag. Die Erfahrung zeigt, dass die Verformung auch vom Gewicht abhängt: Eine mehrfache Gewichtszunahme erhöht die Längenänderungen um den gleichen Betrag. Dies bedeutet, dass durch den Wegfall des Gewichts ein direkt proportionaler Zusammenhang zwischen der elastischen Kraft und der Verformung hergestellt werden kann.

Wenn wir die Dehnung einer Feder infolge ihrer Dehnung als x oder als ∆l (l 1 – l 0, wobei l 0 die Anfangslänge, l 1 die Länge der gedehnten Feder ist) bezeichnen, dann ist die Abhängigkeit von Die elastische Kraft beim Dehnen kann durch die folgende Formel ausgedrückt werden:

F-Kontrolle = kx oder F-Kontrolle = k∆l, (∆l = l 1 – l 0 = x)

Die Formel verwendet den Koeffizienten k. Es zeigt genau, in welchem ​​Zusammenhang die elastische Kraft und die Dehnung stehen. Schließlich kann eine Dehnung um jeden Zentimeter die Federkraft einer Feder um 0,5 N, der zweiten um 1 N und der dritten um 2 N erhöhen. Für die erste Feder sieht die Formel wie folgt aus: F control = 0,5x, für die Zweiter - F-Kontrolle = x, für den dritten - F-Kontrolle = 2x.

Der Koeffizient k heißt Steifigkeit Federn. Je steifer die Feder ist, desto schwieriger lässt sie sich dehnen und desto größer ist der Wert von k. Und je größer k, desto größer ist die elastische Kraft (F-Steuerung) bei gleichen Dehnungen (x) verschiedener Federn.

Die Steifigkeit hängt vom Material, aus dem die Feder besteht, sowie von ihrer Form und Größe ab.

Die Maßeinheit für die Härte ist N/m (Newton pro Meter). Die Steifigkeit gibt an, wie viele Newton (wie viel Kraft) auf die Feder ausgeübt werden muss, um sie um 1 m zu dehnen. Oder wie viele Meter sich die Feder dehnt, wenn eine Kraft von 1 N angewendet wird, um sie zu dehnen wird auf die Feder aufgebracht und diese dehnt sich um 1 cm (0,01 m). Das bedeutet, dass seine Steifigkeit 1 N / 0,01 m = 100 N/m beträgt.

Wenn Sie außerdem auf die Maßeinheiten achten, wird klar, warum die Steifigkeit in N/m gemessen wird. Die elastische Kraft wird wie jede Kraft in Newton gemessen und die Entfernung wird in Metern gemessen. Um die linke und rechte Seite der Gleichung F control = kx in Maßeinheiten anzugleichen, müssen Sie die Meter auf der rechten Seite reduzieren (d. h. durch sie dividieren) und Newton hinzufügen (d. h. mit ihnen multiplizieren).

Der Zusammenhang zwischen der elastischen Kraft und der Verformung eines elastischen Körpers, beschrieben durch die Formel F control = kx, wurde 1660 vom englischen Wissenschaftler Robert Hooke entdeckt, daher trägt dieser Zusammenhang seinen Namen und wird so genannt Hookes Gesetz.

Von einer elastischen Verformung spricht man, wenn der Körper nach dem Aufhören der Kräfte in seinen ursprünglichen Zustand zurückkehrt. Es gibt Körper, die kaum einer elastischen Verformung ausgesetzt werden können, während sie bei anderen recht groß sein können. Wenn Sie beispielsweise einen schweren Gegenstand auf ein Stück weichen Ton legen, verändert sich dessen Form und das Stück selbst kehrt nicht in seinen ursprünglichen Zustand zurück. Wenn Sie das Gummiband jedoch dehnen, nimmt es beim Loslassen wieder seine ursprüngliche Größe an. Es ist zu beachten, dass das Hookesche Gesetz nur für elastische Verformungen gilt.

Die Formel F control = kx ermöglicht es, aus zwei bekannten Größen die dritte zu berechnen. Wenn Sie also die ausgeübte Kraft und Dehnung kennen, können Sie die Steifigkeit des Körpers ermitteln. Wenn Sie die Steifigkeit und Dehnung kennen, ermitteln Sie die elastische Kraft. Und wenn Sie die elastische Kraft und Steifigkeit kennen, berechnen Sie die Längenänderung.



 


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