Força elástica O que consiste, fórmulas e exercícios

O Força elástica É a força que um objeto exerce para resistir a uma mudança em sua forma. Ele se manifesta em um objeto que tende a recuperar sua forma quando está sob a ação de uma força de deformação.

A força elástica também é chamada de força restaurativa porque se opõe à deformação para devolver objetos à sua posição de equilíbrio. A transferência da força elástica é através das partículas que integram os objetos.

Força elástica de uma primavera

Por exemplo, quando uma mola metálica é compactada, uma força que empurra as partículas da mola é exercida reduzindo a separação entre elas, ao mesmo tempo, as partículas resistem sendo empurradas exercendo uma força contrária à compressão.

Se, em vez de comprimir a mola, ele é jogado, esticando, as partículas que a integram são mais separadas. Da mesma forma, as partículas resistem a separar uma força contrária ao alongamento.

Objetos que têm a propriedade de recuperar sua forma original pela força de deformação opostos são chamados de objetos elásticos. As molas, as cordas elásticas e as cordas elásticas são exemplos de objetos elásticos.

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Qual é a força elástica?

A força elástica (F_k) É a força que um objeto exerce para recuperar seu estado de equilíbrio natural ao ter sido afetado por uma força externa.

Para analisar a força elástica, o sistema de massa ideal da primavera será levado em consideração que consiste em uma mola colocada horizontalmente sujeita a uma extremidade na parede e no outro extremo a um bloco de massa desprezível. As outras forças que atuam no sistema como atrito ou força de gravidade não serão levadas em consideração.

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Se uma força horizontal é exercida na massa, direcionada para a parede, ela é transferida para a mola comprimindo -a. A mola se move de sua posição de equilíbrio em direção a uma nova posição. Como o objeto tende a permanecer em equilíbrio, a força elástica se manifesta na primavera que se opõe à força aplicada.

O deslocamento indica quanto a mola e a força elástica foram deformados é proporcional a esse deslocamento. À medida que a mola é comprimida, a variação na posição está aumentando e, consequentemente, aumenta a força elástica.

Quanto mais a mola é compactada, mais força de oposição exerce até chegar a um ponto em que a força aplicada e a força elástica são equilibradas, consequentemente o sistema de massa da primavera para de se mover. Pare de aplicar força, a única força que atua é a força elástica. Essa força acelera a mola na direção contrária à deformação até recuperar o estado de equilíbrio.

Da mesma maneira que ocorre ao esticar a primavera observando a massa horizontalmente. A primavera é esticada e imediatamente exerce uma força proporcional ao deslocamento oposto de alongamento.

Fórmulas

A fórmula de força elástica é expressa pela lei de Hooke. Esta lei estabelece que a força elástica linear exercida por um objeto é proporcional ao deslocamento.

F_k = -k.Δs         [1]

F_k = Força elástica

k = Proporcionalidade constante

Δs = Deslocamento

Quando o objeto se move horizontalmente, como no caso da mola sujeita à parede, o deslocamento é Δx, E a expressão da lei de Hooke está escrita:

F_k = -k.Δx        [2]

Pode servir a você: lente convergente: características, tipos e exercícios resolvidosLei de Hooke. Força elástica proporcional ao alongamento. [Por SVJO (https: // Commons.Wikimedia.org/wiki/arquivo: gancho-lea.Png)]

O sinal negativo na equação indica que a força elástica da mola está na direção oposta à força que causou o deslocamento. A proporcionalidade constante k É uma constante que depende do tipo de material para o qual a mola é constituída. A unidade da constante k é N/m.

Objetos elásticos têm um limite de elasticidade que dependerá da constante de deformação. Se se estender além do limite elástico, se deformará permanentemente.

A equação [1] e [2] se aplica a pequenos deslocamentos de mola. Quando os deslocamentos são maiores, os termos são adicionados com maior poder de Δx.

Energia cinética e energia potencial se referiu a uma força elástica

A força elástica funciona na primavera movendo -a em direção à sua posição de equilíbrio. Durante esse processo, a energia potencial do sistema de massa da primavera aumenta. A energia potencial devido ao trabalho realizado pela força elástica é expressa na equação [3].

U = ½ k .  Δx²[3]

A energia potencial é expressa em Joules (J).

Ao parar de aplicar a força de deformação, a mola acelera para a posição de equilíbrio, diminuindo a energia potencial e aumentando a energia cinética.

A energia cinética do sistema de massa da primavera, quando a posição de equilíbrio atinge, é determinada pela Equação [4].

E_k= ½ m.v²[4]

m = massa

v = velocidade da mola

Para resolver o sistema de massa da primavera, a segunda lei de Newton é aplicada levando em consideração que a força elástica é uma força variável.

Exercícios práticos de exemplos

Obtendo força de deformação

Quanta força é necessária para aplicar a uma mola para esticar 5 cm se a constante da mola for 35n/m?

Pode servir a você: Aceleração da gravidade: o que é, como é medido e exercíciosForça elástica de uma primavera que estende 5 cm

À medida que a força da aplicação se opõe à força elástica é determinada F_k assumindo que a primavera está esticada horizontalmente. O resultado não requer o sinal negativo, pois a força de aplicação é necessária apenas.

Lei de Hooke

F_k = -k.Δx       

A constante k da primavera é 35n/m.

Δx = 5cm = 0,05m

F_k = -35n/m . 0,05m

F_k = - 1,75n = - f

Precisa-se 1.75 n de força para deformar a primavera 5cm.

Obtendo a constante de deformação

Qual é a constante de deformação de uma mola que se estende 20 cm pela ação de uma força de 60n?

Δx =20cm = 0,2m

F = 60n

F_k = -60n = - f

K = - f_k / Δx

  = -(-60n) /0.2m

K = 300 n/m

A constante de primavera é 300n/m

Obtendo energia potencial

Qual é a energia potencial referida ao trabalho realizado pela força elástica de uma mola que é compactada 10cm E sua constante de deformação é 20n/m?

Δx =10 cm = 0,1m

K = 20 n/m

F_k = -20n/m . 0,1m

F_k = -200n

A força elástica da primavera é -200n.

Essa força funciona na primavera para movê -la em direção à sua posição de equilíbrio. Ao executar este trabalho, a energia potencial do sistema aumenta.

A energia potencial é calculada com a equação [3]

U = ½ k .  Δx²

U = ½ (20n/m) . (0,1m)²

U = 0,1Joules

Referências

1. Kittel, C, Knight, W D e Ruderman, M A. Mecânica. EUA: Mc Graw Hill, 1973, vol. Yo.
2. Rama Reddy, K, Badami, S B e Balasubramanian, V. Oscilamentos e ondas. Índia: University Press, 1994.
3. Murphy, J. Física: subestimando as propriedades da matéria e energia. Nova York: Britannica Educational Publishing, 2015.
4. Giordano, n j. Física da faculdade: raciocínio e relacionamentos. Canadá: Brooks/Cole, 2009.
5. Walker, J, Halliday, D e Resnick, R. Fundamentos da Física. EUA: Wiley, 2014.