Как рассчитать коэффициент жесткости

Расчёт жёсткости пружин подвески

Здравствуйте! Поговорим или попишем о пружинах подвески.
Пост для того, чтобы не забыть и для того, чтобы ознакомить Вас, читатели
Предыдущая моя запись была про подвеску. На этот раз разберём самый интересный, на мой взгляд, компонент пружину подвески. Пока речь пойдёт про передние пружины, позже я добавлю и задние, когда доберусь до них, сниму мерки и метки. Давненько не даёт мне покоя эта тема, поэтому сведу всё в одну запись.
Предыстория простая — иметь возможность подобрать то, что нужно под конкретный запрос.

Итак, для расчёта жёсткости пружины необходима следующая формула:

где
G — модуль сдвига;
n — количество витков;
r — радиус прутка;
d — диаметр прутка;
R — радиус навива;
D — диаметр навива.
Для классической пружинной стали модуль сдвига, как правило, принимает значение 78,5 ГПа (или же 7850 кгс/ мм2). Однако, всё зависит от марки стали, которую закладывают производители. Тем не менее, модуль сдвига стали будет, так или иначе, находиться в диапазоне от 77 до 85 ГПа.
В РФ есть ГОСТ на такую вещь. Параметры приведу в табличной форме:

Какие выводы можно сделать?
1. Коэффициент жесткости не зависит от длины пружины, но зависит от количества витков, поэтому когда мы срезаем один или два витка, происходит увеличение коэффициента жесткости.
2. Увеличение толщины прутка на 10 процентов при тех же остальных параметрах дает увеличение коэффициента жесткости почти на 50 процентов. Это связано с тем, что коэффициент жесткости прямопропорционален диаметру прутка в четвертой степени.
3. Коэффициент жесткости зависит от материала, из которого сделана пружина.

Как рассчитать на какую же величину произойдёт сжатие пружины под весом автомобиля?
На этот вопрос нам ответит закон Гука: F = -k*x, где k — коэффициент жёсткости, а х — величина линейной деформации пружины. Соответственно линейную деформацию можно выразить: x = -Fk.
Вот вроде бы и вся теоретическая часть.
Например, хочу я подобрать себе пружины по жёстче да повыше и, тут возникает затык, поскольку на VAG масса пружин по каталогу, но характеристик их нет нигде. Вот люди и мучаются, пока придут к своему идеалу.
Попался мне каталог пружин Kilen. Судя по отзывам можно поставить твёрдую 4-ку этому производителю. Некоторую подборку я здесь представлю. Пружины отфильтрованы по размеру основания +- 2 мм, типу CI, диаметру прутка, а так же отсортированы по диаметру прутка:

Если верить каталогу, то мы можем любую понравившуюся нам пружину купить, благо артикул есть. Можно попытаться посмотреть аналоги в известных интернет магазинах.

В каталоге есть легенда по параметрам пружин:

А так же легенда по типам пружин:

Для наглядного понимания, что нам всё это даёт я сделал расчёт в Exel коэффициентов жёсткости на основании своих измерений и линейных деформаций при условии нагрузки на одну пружину 450 кг. Эту цифру я получил при известной массе автомобиля 1300 кг, а так же примерной развесовки 70х30 перед/зад.

Расчёты выполнены для конической пружины, хотя в нашем варианте она не совсем коническая. Параметр внутренний диаметр наименьшего витка указан приблизительно. Вообще пружина цилиндрическая, кроме верхнего витка.

Теперь поговорим о клиренсе в стационарном режиме. Клиренс определяется как раз изменением длины пружины под действием силы тяжести.

Если мы хотим сохранить клиренс, но ужесточить подвеску, нам необходимо изменить параметр х в сторону уменьшения за счет увеличения коэфициента жесткости, при этом на столько же, насколько изменили значение х, необходимо выбрать пружину короче. Если мы увеличим только жесткость, но при этом длина пружина останется прежней, авто станет жестче, но при этом приподнимется.

Если мы хотим приподнять машину, но сохранить жесткость, то необходимо использовать более длинные пружины, но с тем же коэффициентом жесткости. На чем хотелось бы сакцентировать внимание: если происходит изменение клиренса одной из осей, а клиренс второй оси остается прежний, то автоматически происходит изменение распределения веса по осям. Если мы приподняли заднюю часть, то баланс веса смещается вперед, соответственно, сила, действующая на задние пружины становится меньше, а значит и параметр х тоже уменьшается. Этот прием часто применяется для снижения вероятности пробуксовки передней оси на переднеприводных автомобилях. Наиболее популярный метод сохранения жесткости с увеличением клиренса — это установка проставок под те же пружины или на опорную чашку. При таком подходе сама пружина сжимается под весом авто почти так же, как и до доработки, с небольшой поправкой на перераспределение веса по осям, но за счет проставок дорожный просвет увеличивается на толщину проставки.

Параметр х очень важен для стойки, так как у штока аммортизатора имеется некоторый участок примерно в треть длины, который в стационарном состоянии должен находиться внутри аммортизатора. Это необходимо для того, чтобы аммортизатор работал не только на отбой, но и на разгрузку. Если Вы поставите пружины настолько жесткие, что после опускания автомобиля с домкрата пружина не сожмется на необходимый ход штока, то в процессе эксплуатации аммортизаторы очень быстро выйдут из строя. Кроме того, неправильно подобранное значение х повлияет и на управляемость автомобиля — неправильно настроенная ось будет подпрыгивать на каждой кочке и в поворотах.

Ну, и в заключение поговорим о понятии «преднатяг». Если пружина ставится соосно с аммортизатором, то преднатяг определяется разницей между длиной пружины и длиной вытянутого штока. Т.е. это та часть значения х, которая сохраняется даже при подъеме авто на подъемнике. На само значение х преднатяг не влияет. Если говорят, что преднатяг нулевой, то это значит, что при разборе и сборе стойки Вам не понадобятся стяжки пружин.

Выделенный курсивом материал взят у человека Box77 . За что ему спасибо

Проволока жесткость

Для начала определим основные термины, которые будут использоваться в данной статье. Известно, если воздействовать на тело извне, оно либо приобретет ускорение, либо деформируется. Деформация — это изменение размеров или формы тела под влиянием внешних сил. Если объект полностью восстанавливается после прекращения нагрузки, то такая деформация считается упругой; если же тело остается в измененном состоянии (например, согнутом, растянутом, сжатым и т. д. ), то деформация пластическая.

Примерами пластических деформаций являются:

• лепка из глины;
• погнутая алюминиевая ложка.

В свою очередь, упругими деформациями будут считаться:

• резинка (можно растянуть ее, после чего она вернется в исходное состояние);
• пружина (после сжатия снова распрямляется).

В результате упругой деформации тела (в частности, пружины) в нем возникает сила упругости, равная по модулю приложенной силе, но направленная в противоположную сторону. Сила упругости для пружины будет пропорциональна ее удлинению. Математически это можно записать таким образом:

где F — сила упругости, x — расстояние, на которое изменилась длина тела в результате растяжения, k — необходимый для нас коэффициент жесткости. Указанная выше формула также является частным случаем закона Гука для тонкого растяжимого стержня. В общей форме этот закон формулируется так: «Деформация, возникшая в упругом теле, будет пропорциональна силе, которая приложена к данному телу». Он справедлив только в тех случаях, когда речь идет о малых деформациях (растяжение или сжатие намного меньше длины исходного тела).

Понятие жесткости

Жесткость как физическая величина характеризует силу, которую нужно приложить к пружине для достижения определенной степени растяжения или сжатия.

Коэффициент жесткости рассчитывается по формуле Гука:

Читать также: Строительный пылесос рейтинг цена качество

где $F$ – сила, развиваемая пружиной, $k$ – коэффициент жесткости, зависящий от ее характеристик (см. выше) и измеряемый в ньютонах на метр, $x$ – абсолютное приращение расстояния, на которое изменилась длина пружины после приложения внешней силы. Знак минус в правой части формулы свидетельствует о том, что сила, порождаемая пружиной, действует в противоположном по отношению к нагрузке направлении.

Коэффициент жесткости можно вычислить экспериментально, подвешивая на расположенную вертикально и закрепленную за верхний конец пружину грузы с известной массой. В этом случае имеет место зависимость

$m cdot g – k cdot x = 0$,

где $m$ – масса, $g$ – ускорение свободного падения. Отсюда

Определение коэффициента жесткости

Коэффициент жесткости (он также имеет названия коэффициента упругости или пропорциональности) чаще всего записывается буквой k, но иногда можно встретить обозначение D или c. Численно жесткость будет равна величине силы, которая растягивает пружину на единицу длины (в случае СИ — на 1 метр). Формула для нахождения коэффициента упругости выводится из частного случая закона Гука:

Чем больше величина жесткости, тем больше будет сопротивление тела к его деформации. Также коэффициент Гука показывает, насколько устойчиво тело к действию внешней нагрузки. Зависит этот параметр от геометрических параметров (диаметра проволоки, числа витков и диаметра намотки от оси проволоки) и от материала, из которого она изготовлена.

Единица измерения жесткости в СИ — Н/м.

Формула определения жесткости

Изучаемая современными школьниками формула, как найти коэффициент жесткости пружины, представляет собой соотношение силы и величины, показывающей изменение длины пружины в зависимости от величины данного воздействия (или

Читать также: Насос помпа на дрель

равной ему по модулю силы упругости). Выглядит эта формула так: F = –kx. Из этой формулы коэффициент жесткости упругого элемента равен отношению силы упругости к изменению его длины. В международной системе единиц физических величин СИ он измеряется в ньютонах на метр (Н/м).

Другой вариант записи формулы: коэффициент Юнга

Деформация растяжения/сжатия в физике также может описываться несколько видоизмененным законом Гука. Формула включает значения относительной деформации (отношения изменения длины к ее начальному значению) и напряжения (отношения силы к площади поперечного сечения детали). Относительная деформация и напряжение по этой формуле пропорциональны, а коэффициент пропорциональности – величина, обратная модулю Юнга.

Модуль Юнга интересен тем, что определяется исключительно свойствами материала, и никак не зависит ни от формы детали, ни от ее размеров.

К примеру, модуль Юнга для ста

ли примерно равен единице с одиннадцатью нулями (единица измерения – Н/кв. м).

Смысл понятия коэффициент жесткости

Коэффициент жесткости – коэффициент пропорциональности из закона Гука. Еще он с полным правом называется коэффициентом упругости.

Фактически он показывает величину силы, которая должна быть приложена к упругому элементу, чтобы изменить его длину на единицу (в используемой системе измерений).

Значение этого параметра зависит от нескольких факторов, которыми характеризуется пружина:

• Материала, используемого при ее изготовлении.
• Формы и конструктивных особенностей.
• Геометрических размеров.

По этому показателю можно сд

елать вывод, насколько изделие устойчиво к воздействию нагрузок, то есть каким будет его сопротивление при приложении внешнего воздействия.

Особенности расчета пружин

Показывающая, как найти жесткость пружины, формула, наверное, одна из наиболее используемых современными конструкторами. Ведь применение эти упругие детали находят практически везде, то есть требуется просчитывать их поведение и выбирать те из них, которые будут идеально справляться с возложенными обязанностями.

Закон Гука весьма упрощенно показывает зависимость деформации упругой детали от прилагаемого усилия, инженерами используются более точные формулы расчета коэффициента жесткости, учитывающие все особенности происходящего процесса.

• Цилиндрическую витую пружину современная инженерия рассматривает как спираль из проволоки с круглым сечением, а ее деформация под воздействием существующих в системе сил представляется совокупностью элементарных сдвигов.
• При деформации изгиба в качестве деформации рассматривается прогиб стержня, расположенного концами на опорах.

Расчет жесткости системы

Встречаются более сложные задачи, в которых необходим расчет общей жесткости. В таких заданиях пружины соединены последовательно или параллельно.

Последовательное соединение системы пружин

При последовательном соединении общая жесткость системы уменьшается. Формула для расчета коэффициента упругости будет иметь следующий вид:

1/k = 1/k1 + 1/k2 + … + 1/ki,

где k — общая жесткость системы, k1, k2, …, ki — отдельные жесткости каждого элемента, i — общее количество всех пружин, задействованных в системе.

Параллельное соединение системы пружин

В случае когда пружины соединены параллельно, величина общего коэффициента упругости системы будет увеличиваться. Формула для расчета будет выглядеть так:

k = k1 + k2 + … + ki.

Измерение жесткости пружины опытным путем — в этом видео.

Формула жесткости соединений пружин

Не стоит забывать о том, что в некоторых случаях проводится соединение тела нескольким пружинами. Подобные системы получили весьма широкое распространение. Определить жесткость в этом случае намного сложнее. Среди особенностей соединения можно отметить нижеприведенные моменты:

1. Параллельное соединение характеризуется тем, что детали размещаются последовательно. Подобный метод позволяет существенно повысить упругость создаваемой системы.
2. Последовательный метод характеризуется тем, что деталь подключаются друг к другу. Подобный способ подсоединения существенно снижает степень упругости, однако позволяет существенно увеличить максимальное удлинение. В некоторых случаях требуется именно максимальное удлинение.

Читать также: Как сделать чпу по дереву

В обеих случаях применяется определенная формула, которая определяет особенности подключения. Модуль силы упругости может существенно отличаться в зависимости от особенностей конкретного изделия.

При последовательном соединении изделий показатель рассчитывается следующим образом: 1/k=1/k1+1/k2+…+1/kn. Рассматриваемый показатель считается довольно важным свойством, в данном случае он снижается. Параллельный метод подключения рассчитывается следующим образом: k=k1+k2+…kn.

Подобные формулы могут использоваться при самых различных расчетах, чаще всего на момент решения математических задач.

Вычисление коэффициента жесткости опытным методом

С помощью несложного опыта можно самостоятельно рассчитать, чему будет равен коэффициент Гука. Для проведения эксперимента понадобятся:

• линейка;
• пружина;
• груз с известной массой.

Последовательность действий для опыта такова:

1. Необходимо закрепить пружину вертикально, подвесив ее к любой удобной опоре. Нижний край должен остаться свободным.
2. При помощи линейки измеряется ее длина и записывается как величина x1.
3. На свободный конец нужно подвесить груз с известной массой m.
4. Длина пружины измеряется в нагруженном состоянии. Обозначается величиной x2.
5. Подсчитывается абсолютное удлинение: x = x2-x1. Для того чтобы получить результат в международной системе единиц, лучше сразу перевести его из сантиметров или миллиметров в метры.
6. Сила, которая вызвала деформацию, — это сила тяжести тела. Формула для ее расчета — F = mg, где m — это масса используемого в эксперименте груза (переводится в кг), а g — величина свободного ускорения, равная приблизительно 9,8.
7. После проведенных расчетов остается найти только сам коэффициент жесткости, формула которого была указана выше: k = F/x.

Типы пружин

Пружины можно классифицировать по направлению прилагаемой нагрузки:

• пружины растяжения; предназначены для работы в режиме растягивания, при деформации их длина увеличивается; как правило, такие устройства имеют нулевой шаг, т.е. намотаны «виток к витку»; примером могут служить пружины в весах-безменах, пружины для автоматического закрытия дверей и т.д.;
• пружины сжатия под нагрузкой, напротив, укорачиваются; в исходном состоянии между их витками есть некоторое расстояние, как, например, в амортизаторах автомобильных подвесок.

Готовые работы на аналогичную тему

• Курсовая работа Жесткость пружины, формула 410 руб.
• Реферат Жесткость пружины, формула 280 руб.
• Контрольная работа Жесткость пружины, формула 210 руб.

Получить выполненную работу или консультацию специалиста по вашему учебному проекту Узнать стоимость

В данной статье рассматриваются пружины, представляющие собой цилиндрические спирали. В технике применяется много других разновидностей упругих устройств: пружины в виде плоских спиралей (используются в механических часах), в виде полос (рессоры), пружины кручения (в точных весах), тарельчатые (сжимающиеся конические поверхности) и т.п. Своего рода пружинами являются амортизирующие изделия из полимерных эластичных материалов, прежде всего резины. Во всех этих устройствах используется один и тот же принцип — запасать энергию упругой деформации и возвращать ее.

Примеры задач на нахождение жесткости

Задача 1

На пружину длиной 10 см действует сила F = 100 Н. Длина растянутой пружины составила 14 см. Найти коэффициент жесткости.

1. Рассчитываем длину абсолютного удлинения: x = 14—10 = 4 см = 0,04 м.
2. По формуле находим коэффициент жесткости: k = F/x = 100 / 0,04 = 2500 Н/м.

Ответ: жесткость пружины составит 2500 Н/м.

Задача 2

Груз массой 10 кг при подвешивании на пружину растянул ее на 4 см. Рассчитать, на какую длину растянет ее другой груз массой 25 кг.

Решение задач на вес тела, силу тяжести и силу упругости

В окружающем нас мире на различные тела действуют множество сил. Вы уже познакомились с несколькими из них: весом тела, силой тяжести и силой упругости.

• Сила тяжести действует на все тела находящиеся на Земле и всегда направлена вертикально вниз:
  $F_ <тяж>= gm$,
  где $m$ – масса тела, $g$ – ускорение свободного падения ($g = 9.8 frac<Н><кг>$)
• Вес тела – это сила, с которой тело вследствие притяжения к Земле действует на опору или подвес. Вес тела приложен всегда к опоре или подвесу.
  Если тело и опора/подвес неподвижны или движутся прямолинейно и равномерно, то вес будет численно равен силе тяжести, действующей на это тело:
  $P = F_<тяж>$
• Сила упругости возникает в теле в результате его деформации и стремится вернуть тело в исходное положение.
  Закон Гука определяет зависимость этой силы от деформации тела:
  $F_ <упр>= k Delta l$,
  где $k$ – коэффициент упругости (жесткость тела), $Delta l$ – изменение длины тела

В данном уроке мы рассмотрим задачи и их подробные решения, чтобы вы научились уверенно использовать новые понятия и вычислять изученные силы.

Задача №1

Вычислите силу тяжести, действующую на тело массой: $1.5 space кг$; $500 space г$; $2.5 space т$; $20 space г$.

Дано:
$m_1 = 1.5 space кг$
$m_2 = 500 space г$
$m_3 = 2.5 space т$
$m_4 = 20 space г$
$g = 9.8 frac<Н><кг>$

СИ:

$m_2 = 0.5 space кг$
$m_3 = 2500 space кг$
$m_4 = 0.02 space кг$

Показать решение и ответ

Решение:

Сила тяжести рассчитывается по формуле $F_ <тяж>= gm$.

Для того чтобы получить верный ответ при таких простых вычислениях, всегда обращайте внимание на единицы измерения данных величин. Мы уже перевели единицы массы в $кг$. Если бы мы этого не сделали, то получили бы неверные ответы.

Рассчитаем силу тяжести, действующую на каждое тело:

1. $F_ <тяж1>= gm_1$,
   $F_ <тяж1>= 9.8 frac<Н><кг>cdot 1.5 space кг = 14.7 space Н$
2. $F_ <тяж2>= gm_2$,
   $F_ <тяж2>= 9.8 frac<Н><кг>cdot 0.5 space кг = 4.9 space Н$
3. $F_ <тяж3>= gm_3$,
   $F_ <тяж3>= 9.8 frac<Н><кг>cdot 2500 space кг = 24 space 500 space Н = 24.5 space кН$
4. $F_ <тяж4>= gm_4$,
   $F_ <тяж4>= 9.8 frac<Н><кг>cdot 0.02 space кг = 0.196 space Н$

Ответ: $F_ <тяж1>= 14.7 space Н$, $F_ <тяж2>= 4.9 space Н$, $F_ <тяж3>= 24.5 space кН$, $F_ <тяж1>= 0.196 space Н$.

Задача №2

Банка объемом $5 space дм^3$ заполнена водой. Какой вес имеет вода?

Дано:
$V = 5 space дм^3$
$rho = 1000 frac<кг><м^3>$
$g = 9.8 frac<Н><кг>$

СИ:
$V = 5 cdot 10^ <-3>space м^3$

Показать решение и ответ

Решение:

У нас в задаче не сказано, что банка каким-либо образом движется, поэтому мы будем считать, что она неподвижна. Если банка неподвижна, то и вода в ней тоже. Тогда вес воды мы можем рассчитать следующим способом:
$P = F_ <тяж>= gm$.

Массу воды выразим через ее плотность и объем банки, который она заполняет:
$m = rho V$.

Подставим в нашу формулу и рассчитаем вес воды:
$P = g rho V$,
$P = 9.8 frac<Н> <кг>cdot 1000 frac<кг> <м^3>cdot 5 cdot 10^ <-3>space м^3 = 49 space Н$.

Ответ: $P = 49 space Н$.

Задача №3

Два кубика изготовлены из одного материала. Объем первого кубика в 12.2 раза больше, чем второго. На какой кубик действует большая сила тяжести и во сколько раз?

Дано:
$V_1 = 12.2 V_2$
$rho_1 = rho_2 = rho$

Показать решение и ответ

Решение:

Сила тяжести рассчитывается по формуле:
$F_ <тяж>= gm$.

Выразим массу кубиков через их объем и плотность:
$m_1 = rho V_1 = rho 12.2 V_2$,
$m_2 = rho V_2$.

Мы видим, что масса первого кубика в 12.2 раза больше массы второго. Это означает, что и сила тяжести, действующая на него, будет в 12.2 раза больше, чем сила тяжести, действующая на второй кубик:
$frac>> = frac = 12.2$.

Ответ: на первый, в 12.2 раза.

Задача №4

Какой вес имеет человек, имеющий массу $65 space кг$ и находящийся на Земле?

Дано:
$m = 65 space кг$
$g = 9.8 frac<Н><кг>$

Показать решение и ответ

Решение:

Если человек находится на Земле неподвижно или движется равномерно и прямолинейно, то его вес будет равен силе тяжести, действующей на него:
$P = F_ <тяж>= gm$,
$P = 9.8 frac<Н> <кг>cdot 65 space кг = 637 space Н$.

Ответ: $P = 637 space Н$.

Задача №5

Стальная проволока удлиняется на $2 space мм$ при действии на нее груза в $320 space Н$. Вычислите коэффициент жесткости проволоки.

Дано:
$Delta l = 2 space мм$
$F_ <упр>= 320 space Н$

СИ:
$Delta l = 2 cdot 10^ <-3>space м$

Показать решение и ответ

Решение:

Запишем закон Гука:

Выразим отсюда коэффициент жесткости проволоки и рассчитаем его:

Ответ: $k = 160 frac<кН><м>$.

Задача №6

Под действием груза в $200 space Н$ пружина динамометра удлинилась на $0.5 space см$. Каково удлинение пружины под действием груза в $700 space Н$?

Дано:
$Delta l_1 = 0.5 space см$
$F_ <упр1>= 200 space Н$
$F_ <упр2>= 700 space Н$

Показать решение и ответ

Решение:

Закон Гука описывает силу упругости, возникающую в пружине при ее удлинении:
$F_ <упр1>= k Delta l_1$.

Выразим отсюда жесткость пружины и рассчитаем ее:
$k = frac>$,
$k = frac<200 space Н> <0.5 space см>= 400 frac<Н><см>$.

Используя тот же закон Гука рассчитаем удлинение пружины при другой силе упругости, измерений динамометром:
$F_ <упр2>= k Delta l_2$,
$Delta l_2 = frac>$,
$Delta l_2 = frac<700 space Н><400 frac<Н><см>> = 1.75 space см$.

Ответ: $Delta l_2 = 1.75 space см$.

Задача №7

Под действием силы давления вагона $50 space кН$ буферные пружины между вагонами сжимаются на $1 space см$. С какой силой давит вагон, если пружины сжались на $4 space см$?

Дано:
$F_ <упр1>= 50 space кН$
$Delta l_1 = 1 space см$
$Delta l_2 = 4 space см$

Показать решение и ответ

Решение:

Вследствие давления вагона, буферные пружины сжимаются и в них возникает сила упругости, равная $50 space кН$. Найдем жесткость этих пружин:
$F_ <упр1>= k Delta l_1$,
$k = frac>$,
$k = frac<50 space кН> <1 space см>= 50 frac<кН><см>$.

Рассчитаем силу, с которой давит вагон, (силу упругости, возникающую в пружинах под таким давлением), если изменение длины пружин составило $4 space см$:
$F_ <упр2>= k Delta l_2$,
$F_ <упр2>= 50 frac<кН> <см>cdot 4 space см = 200 space кН$.

Ответ: $F_ <упр2>= 200 space кН$.

Задача №8

Пружина без нагрузки длиной $20 space см$ имеет коэффициент жесткости $20 frac<Н><м>$. Какой станет длина растянутой пружины под действием силы $2 space Н$?

Дано:
$l = 20 space см$
$k = 20 frac<Н><м>$
$F_ <упр1>= 2 space Н$

СИ:
$l = 0.2 space м$

Показать решение и ответ

Решение:

Для того чтобы узнать длину растянутой пружины, нам нужно вычислить ее изменение длины – длину, на которую она растянется:
$l_1 = l + Delta l$.

Если бы пружина сжималась под действием силы, то мы бы отнимали удлинение от первоначальной длины.

Рассчитаем удлинение пружины:
$F_ <упр>= k Delta l$,
$Delta l = frac>$,
$Delta l = frac<2 space Н><20 frac<Н><м>> = 0.1 space м$.

Теперь рассчитаем длину растянутой пружины:
$l_1 = 0.2 space м + 0.1 space м = 0.3 space м = 30 space см$.

Ответ: $l_1 = 30 space см$.

Задача №9

На рисунке 1 изображен график зависимости модуля силы упругости от удлинения пружины. Найдите жесткость пружины.

Показать решение и ответ

Решение:

Для того чтобы определить коэффициент жесткости нам нужно силу упругости разделить на удлинение пружины:
$k = frac>$.

Пользуясь графиком, вы можете выбрать любую удобную для вас точку. График демонстрирует линейную зависимость силы упругости от удлинения, коэффициент жесткости при этом – величина постоянная.

Мы выберем точку, в которой сила упругости равна $4 space Н$. Этому значению силы соответствует удлинение пружины, равное $0.4 space м$.

Рассчитаем коэффициент жесткости:
$k = frac<4 space Н> <0.4 space м>= 10 frac<Н><м>$.

Ответ: $k = 10 frac<Н><м>$.

Задача №10

Круглый стальной брус диаметром $2 space см$, длиной $16 space м$ растягивается силой, равной $36 space кН$. Найдите удлинение этого бруса.

Дано:
$d = 2 space см$
$l = 16 space м$
$F_ <упр>= 36 space кН$
$E = 200 cdot 10^9 space Па$

Модуль упругости $E$ – это физическая величина, характеризующая способность материала сопротивляться растяжению или сжатию.

Модуль упругости является характеристикой материала, для стали он равен $200 cdot 10^9 space Па$.
Он связан с коэффициентом упругости $k$:

где $S$ – площадь поперечного сечения,
$l$ – длина.

Показать решение и ответ

Решение:

Запишем закон Гука:
$F_ <упр>= k Delta l$.

Выразим отсюда удлинение стального бруса:
$Delta l = frac>$.

Коэффициент упругости $k$ мы можем выразить через модуль упругости $E$:
$k = frac$.

Площадь поперечного сечения $S$ выразим через диаметр:
$S = frac<4>$.