- Quelle est la force élastique?
- Formules
- Énergie cinétique et énergie potentielle référées à une force élastique
- Obtention d'énergie potentielle
- Références
La force élastique est la force exercée par un objet pour résister à un changement de forme. Il se manifeste dans un objet qui a tendance à reprendre sa forme lorsqu'il est sous l'action d'une force de déformation.
La force élastique est également appelée force de rappel car elle s'oppose à la déformation pour ramener les objets à leur position d'équilibre. Le transfert de la force élastique se fait à travers les particules qui composent les objets.
Force élastique d'un ressort
Par exemple, lorsqu'un ressort métallique est comprimé, une force est exercée qui pousse les particules du ressort, diminuant la séparation entre elles, en même temps, les particules résistent à la poussée en exerçant une force contraire à la compression.
Si au lieu de comprimer le ressort il est tiré, en s'étirant, les particules qui le composent se séparent davantage. De même, les particules résistent à la séparation en exerçant une force contraire à l'étirement.
Les objets qui ont la propriété de retrouver leur forme d'origine en s'opposant à la force de déformation sont appelés objets élastiques. Les ressorts, les élastiques et les cordons élastiques sont des exemples d'objets élastiques.
Quelle est la force élastique?
La force élastique (F k) est la force qu'un objet exerce pour retrouver son état d'équilibre naturel après avoir été affecté par une force extérieure.
Pour analyser la force élastique, le système de masse de ressort idéal sera pris en compte, qui consiste en un ressort placé horizontalement attaché à une extrémité au mur et à l'autre extrémité à un bloc de masse négligeable. Les autres forces agissant sur le système, telles que la force de frottement ou la force de gravité, ne seront pas prises en compte.
Si une force horizontale est exercée sur la masse, dirigée vers la paroi, elle est transférée vers le ressort en la comprimant. Le ressort passe de sa position d'équilibre à une nouvelle position. Comme l'objet a tendance à rester en équilibre, la force élastique du ressort qui s'oppose à la force appliquée se manifeste.
Le déplacement indique à quel point le ressort s'est déformé et la force élastique est proportionnelle à ce déplacement. Lorsque le ressort est comprimé, la variation de position augmente et par conséquent la force élastique augmente.
Plus le ressort est comprimé, plus il exerce de force opposée jusqu'à ce qu'il atteigne un point auquel la force appliquée et la force élastique s'équilibrent, par conséquent le système de masse de ressort cesse de se déplacer. Lorsque vous arrêtez d'appliquer une force, la seule force qui agit est la force élastique. Cette force accélère le ressort dans le sens opposé à la déformation jusqu'à ce qu'il retrouve l'équilibre.
La même chose se produit lors de l'étirement du ressort, en tirant la masse horizontalement. Le ressort est étiré et exerce immédiatement une force proportionnelle au déplacement s'opposant à l'étirement.
Formules
La formule de la force élastique est exprimée par la loi de Hooke. Cette loi stipule que la force élastique linéaire exercée par un objet est proportionnelle au déplacement.
F k = -k.Δ s
F k = Force élastique
La loi de Hooke. Force élastique proportionnelle à l'étirement.
Le signe négatif dans l'équation indique que la force élastique du ressort est dans la direction opposée à la force qui a provoqué le déplacement. La constante de proportionnalité k est une constante qui dépend du type de matériau à partir duquel le ressort est fabriqué. L'unité de la constante k est N / m.
Les objets élastiques ont une limite d'élasticité qui dépendra de la constante de déformation. S'il est étiré au-delà de la limite élastique, il se déformera définitivement.
L'équation y s'applique aux petits déplacements du ressort. Lorsque les déplacements sont plus importants, des termes avec une plus grande puissance de Δ x sont ajoutés.
Énergie cinétique et énergie potentielle référées à une force élastique
La force élastique agit sur le ressort en le déplaçant vers sa position d'équilibre. Au cours de ce processus, l'énergie potentielle du système de masse du ressort augmente. L'énergie potentielle due au travail effectué par la force élastique est exprimée dans l'équation.
L'énergie potentielle est exprimée en Joules (J).
Lorsque la force de déformation n'est pas appliquée, le ressort accélère vers la position d'équilibre, diminuant l'énergie potentielle et augmentant l'énergie cinétique.
L'énergie cinétique du système de ressort de masse, lorsqu'il atteint la position d'équilibre, est déterminée par l'équation.
La constante de ressort k est de 35 N / m.
Il faut 1,75 N de force pour déformer le ressort de 5 cm.
Quelle est la constante de déflexion d'un ressort étiré de 20 cm sous l'action d'une force de 60N?
La constante du ressort est de 300 N / m
Obtention d'énergie potentielle
Quelle est l'énergie potentielle rapportée au travail effectué par la force élastique d'un ressort qui est comprimé 10cm et sa constante de déformation est 20N / m?
La force élastique du ressort est de -200N.
Cette force agit sur le ressort pour le déplacer vers sa position d'équilibre. Faire ce travail augmente l'énergie potentielle du système.
L'énergie potentielle est calculée avec l'équation
Références
- Kittel, C, Knight, WD et Ruderman, M A. Mécanique. États-Unis: Mc Graw Hill, 1973, Vol. I.
- Rama Reddy, K, Badami, SB et Balasubramanian, V. Oscillations and Waves. Inde: Universities Press, 1994.
- Murphy, J. Physics: comprendre les propriétés de la matière et de l'énergie. New York: Britannica Educational Publishing, 2015.
- Giordano, N J. College Physics: Raisonnement et relations. Canada: Brooks / Cole, 2009.
- Walker, J, Halliday, D et Resnick, R. Fundamentals of Physics. États-Unis: Wiley, 2014.