Пружина (устройство)

Спиральные или винтовые пружины, рассчитанные на растяжение

Прочная спиральная пружина, предназначенная для сжатия и растяжения.

Английский Longbow - простой , но очень мощная пружина , изготовленная из тиса , размером 2 м (6 футов 6 дюймов) в длину, с 470 Н (105  фунт - сила ) черпать силы

Сила (F) по сравнению с расширением (ями). ^{[ необходима цитата ]} Характеристики пружины: (1) прогрессивная, (2) линейная, (3) дегрессивная, (4) почти постоянная, (5) прогрессивная с коленом

Механически обработанная пружина объединяет несколько элементов в один кусок прутка.

Устройство для стрельбы военной минной ловушкой из СССР (обычно подключенное к растяжке ) с подпружиненным ударником

Пружина является эластичным объект , который хранит механическую энергию . Пружины обычно изготавливаются из пружинной стали . Есть много весенних дизайнов. В повседневном использовании этот термин часто относится к винтовым пружинам .

Когда обычная пружина без признаков изменчивости жесткости сжимается или растягивается из положения покоя, она оказывает противодействующую силу, приблизительно пропорциональную ее изменению в длине (это приближение не работает для больших прогибов). Скорости или пружины пружины является изменение в силе оно оказывает, деленное на изменение прогиба пружины. То есть это градиент зависимости силы от кривой прогиба . An внутреннего абонента или компрессии жесткость пружины выражаются в единицах силы , поделенных на расстоянии, например , или Н / м или фунт - сила / дюйм. Торсионная пружинапружина, работающая от скручивания; когда он закручен вокруг своей оси на угол, он создает крутящий момент, пропорциональный углу. Жесткость торсионной пружины выражается в единицах крутящего момента, деленных на угол, например Н · м / рад или фут · фунт-сила / градус. Обратной силой жесткости пружины является податливость, то есть: если жесткость пружины составляет 10 Н / мм, она имеет податливость 0,1 мм / Н. Жесткость (или скорость) пружин, включенных параллельно, является аддитивной , как и эластичность пружин, включенных последовательно.

Пружины изготавливаются из различных эластичных материалов, чаще всего из пружинной стали. Маленькие пружины могут быть намотаны из предварительно закаленной заготовки, а большие - из отожженной стали и закалены после изготовления. Некоторые цветные металлы также используются, включая фосфорную бронзу и титан для деталей, требующих коррозионной стойкости, и бериллиевая медь для пружин, пропускающих электрический ток (из-за ее низкого электрического сопротивления).

История [ править ]

Простые пружины без спирали использовались на протяжении всей истории человечества, например, лук (и стрела). В бронзовом веке использовались более сложные пружинные приспособления, о чем свидетельствует распространение пинцета во многих культурах. Ктесибий Александрийский разработал метод изготовления бронзы с пружинными характеристиками, производя сплав бронзы с повышенным содержанием олова, а затем закалывая его молотком после того, как он был отлит.

Винтовые пружины появились в начале 15 века ^[1] в дверных замках. ^[2] Первые часы с пружинным приводом появились в этом веке ^{[2] [3] [4]} и к 16 веку превратились в первые большие часы.

В 1676 году британский физик Роберт Гук постулировал закон Гука , согласно которому сила, оказываемая пружиной, пропорциональна ее протяженности.

Типы [ править ]

Пружины можно классифицировать в зависимости от того, как к ним приложена сила нагрузки:

• Пружина растяжения / растяжения - пружина предназначена для работы с растягивающей нагрузкой, поэтому пружина растягивается при приложении к ней нагрузки.
• Пружина сжатия - предназначена для работы с нагрузкой сжатия, поэтому пружина становится короче по мере приложения к ней нагрузки.
• Торсионная пружина - в отличие от вышеупомянутых типов, в которых нагрузка представляет собой осевую силу, нагрузка, прикладываемая к торсионной пружине, представляет собой крутящий момент или крутящую силу, а конец пружины поворачивается на угол при приложении нагрузки.
• Постоянная подпружиненная нагрузка остается неизменной на протяжении всего цикла отклонения ^[5]
• Переменная пружина - сопротивление катушки нагрузке изменяется во время сжатия ^[6]
• Пружина переменной жесткости - сопротивление катушки нагрузке может динамически изменяться, например, с помощью системы управления, некоторые типы этих пружин также меняют свою длину, что также обеспечивает возможность срабатывания ^[7]

Их также можно классифицировать по форме:

• Плоская пружина - этот тип изготавливается из плоской пружинной стали .
• Механически обработанная пружина - этот тип пружины изготавливается путем обработки прутковой заготовки на токарном станке и / или фрезеровании, а не на намотке. Поскольку она механически обработана, пружина может включать в себя элементы в дополнение к упругому элементу. Механически обработанные пружины могут быть выполнены в типичных случаях нагружения сжатия / растяжения, кручения и т. Д.
• Змеевидная пружина - зигзаг из толстой проволоки - часто используется в современной обивке / мебели.
• Пружина с подвязками - спиральная стальная пружина, соединенная на каждом конце для создания круглой формы.

Самые распространенные виды пружин:

• Консольная пружина - плоская пружина, закрепленная только на одном конце, как консоль , а свободно висящий конец принимает нагрузку.
• Винтовая пружина или винтовая пружина - пружина (сделанная путем наматывания проволоки на цилиндр) бывает двух типов:
  • Натяжные или пружины растяжения предназначены для удлиняются под нагрузкой. Их витки (петли) обычно соприкасаются в ненагруженном состоянии, и на каждом конце у них есть крючок, проушина или другие средства крепления.
  • Пружины сжатия становятся короче под нагрузкой. Их витки (петли) в ненагруженном состоянии не соприкасаются и не нуждаются в точках крепления.
  • Пружины для полых трубмогут быть как пружины растяжения, так и пружины сжатия. Полая трубка заполнена маслом и средствами изменения гидростатического давления внутри трубки, такими как мембрана или миниатюрный поршень и т. Д., Чтобы затвердеть или ослабить пружину, так же, как это происходит с давлением воды внутри садового шланга. В качестве альтернативы поперечное сечение НКТ выбирается такой формы, что оно меняет свою площадь, когда НКТ подвергается крутильной деформации - изменение площади поперечного сечения приводит к изменению внутреннего объема НКТ и потока масла в / из пружины, что может управляться клапаном, тем самым контролируя жесткость. Существует множество других конструкций пружин полых труб, которые могут изменять жесткость с любой желаемой частотой, изменять жесткость на несколько единиц или перемещаться как линейный привод в дополнение к своим свойствам пружины.
• Дуговая пружина - это предварительно изогнутая или дугообразная спиральная пружина сжатия, которая способна передавать крутящий момент вокруг оси.
• Спиральная пружина - спиральная пружина сжатия в форме конуса, так что при сжатии витки не прижимаются друг к другу, что обеспечивает более длительный ход.
• Волосная пружина или пружина баланса - тонкая спиральная пружина, используемая в часах , гальванометрах и местах, где электричество должно передаваться на частично вращающиеся устройства, такие как рулевые колеса, не мешая вращению.
• Листовая рессора - плоская пружина, используемая в подвесках автомобилей, электрических переключателях и дугах .
• V- образная пружина - используется в старинных механизмах огнестрельного оружия , таких как колесный замок , кремневый замок и замки с ударным колпачком . Также пружина дверного замка, используемая в старинных механизмах дверной защелки. ^[8]

Другие типы включают:

• Шайба Бельвилля или пружина Бельвилля - пружина в форме диска, обычно используемая для приложения натяжения к болту (а также в механизме запуска наземных мин, активируемых давлением)
• Пружина постоянной силы - плотно свернутая лента, которая при разматывании оказывает почти постоянное усилие.
• Пневматическая пружина - объем сжатого газа
• Идеальная пружина - условная пружина, используемая в физике, - она ​​не имеет потерь веса, массы или демпфирования. Сила, прилагаемая пружиной, пропорциональна расстоянию, на которое пружина растягивается или сжимается из своего расслабленного положения. ^[9]
• Боевая пружина - спиральная пружина в форме ленты, используемая в качестве накопителя энергии для часовых механизмов: часов , часов , музыкальных шкатулок , заводных игрушек и фонарей с механическим приводом.
• Пружина негатора - тонкая металлическая полоса слегка вогнутой в поперечном сечении. В свернутом виде он принимает плоское поперечное сечение, но в развернутом виде возвращается к своей прежней кривой, создавая, таким образом, постоянную силу на протяжении всего смещения и устраняя любую тенденцию повторного наматывания. Чаще всего применяется убирающаяся стальная ленточная линейка. ^[10]
• Винтовые пружины с прогрессивной скоростью - цилиндрическая пружина с переменной скоростью, обычно достигаемая за счет неравного расстояния между витками, так что при сжатии пружины одна или несколько витков опираются на своего соседа.
• Резиновая лента - пружина растяжения, в которой энергия накапливается за счет растяжения материала.
• Пружинная шайба - используется для приложения постоянного растягивающего усилия вдоль оси застежки .
• Торсионная пружина - любая пружина, предназначенная для скручивания, а не сжатия или растяжения. ^[11] Используется в торсионных системах подвески транспортных средств.
• Весна волны - любой из многихформе волновых пружин, шайб, и расширителях,то числе линейных пружин, все из которыхкак правилосделаны с плоской проволокой или дисками, которые волнистые в соответствии с промышленными условиями,правило, штамповкой, в волнистую регулярную структурурезультате в криволинейных долях. Существуют также волновые пружины из круглой проволоки. Типы включают волнистую шайбу, однооборотную волновую пружину, многооборотную волновую пружину, линейную волновую пружину, расширитель марселя, пружину с переплетенной волной и вложенную волновую пружину.

Физика [ править ]

Закон Гука [ править ]

Пока пружины не растянуты или сжимаются сверх предела упругости , большинство пружин подчиняются закону Гука, который гласит, что сила, с которой пружина отталкивает назад, линейно пропорциональна расстоянию от ее равновесной длины:

${\ Displaystyle F = -kx, \}$

где

x - вектор смещения - расстояние и направление, в котором пружина деформируется относительно ее равновесной длины.

F - результирующий вектор силы - величина и направление возвращающей силы, оказываемой пружиной.

K представляет собой скорость , пружины или силовая константа пружины, константа , которая зависит от материала и конструкции весной в. Отрицательный знак указывает на то, что сила, оказываемая пружиной, находится в направлении, противоположном ее смещению.

Винтовые пружины и другие обычные пружины обычно подчиняются закону Гука. Есть полезные пружины, которые этого не делают: пружины, основанные на изгибе балки, могут, например, создавать силы, которые нелинейно изменяются с перемещением.

Конические пружины , изготовленные с постоянным шагом (толщиной проволоки), имеют переменную скорость. Однако коническая пружина может иметь постоянную жесткость, создавая пружину с переменным шагом. Больший шаг витков большего диаметра и меньший шаг витков меньшего диаметра вынуждают пружину сжиматься или растягиваться с одинаковой скоростью при деформации.

Простое гармоническое движение [ править ]

Поскольку сила равна массе m , умноженной на ускорение a , уравнение силы для пружины, подчиняющейся закону Гука, выглядит так:

${\ Displaystyle F = ma \ quad \ Rightarrow \ quad -kx = ma. \,}$

Масса пружины мала по сравнению с массой прикрепленной массы и не принимается во внимание. Поскольку ускорение - это просто вторая производная от x по времени,

${\ displaystyle -kx = m {\ frac {d ^ {2} x} {dt ^ {2}}}. \,}$

Это линейное дифференциальное уравнение второго порядка для смещения как функции времени. Перестановка:${\ displaystyle x}$

${\ displaystyle {\ frac {d ^ {2} x} {dt ^ {2}}} + {\ frac {k} {m}} x = 0, \,}$

решение которого является суммой синуса и косинуса :

${\displaystyle x(t)=A\sin \left(t{\sqrt {\frac {k}{m}}}\right)+B\cos \left(t{\sqrt {\frac {k}{m}}}\right).\,}$

${\displaystyle A}$и являются произвольными константами, которые можно найти, рассматривая начальное смещение и скорость массы. График этой функции с (нулевое начальное положение с некоторой положительной начальной скоростью) отображается на изображении справа.${\displaystyle B}$${\displaystyle B=0}$

Энергетическая динамика [ править ]

В простом гармоническом движении системы пружина-масса энергия будет колебаться между кинетической и потенциальной энергией , но общая энергия системы останется прежней. Пружина, которая подчиняется закону Гука с жесткостью пружины k, будет иметь общую системную энергию E, равную: ^[12]

${\displaystyle E=\left({\frac {1}{2}}\right)kA^{2}}$

Здесь A - амплитуда волнообразного движения, вызываемого колебательным поведением пружины.

Потенциальная энергия U такой системы может быть определена через жесткость пружины k и присоединенную массу m : ^[12]

${\displaystyle U=\left({\frac {1}{2}}\right)kx^{2}}$

Кинетическая энергия К объекту в простом гармоническом движении можно найти с помощью массы присоединенного объекта м и скорости , при которой объекте осциллирует v : ^[12]

${\displaystyle K=\left({\frac {1}{2}}\right)mv^{2}}$

Поскольку в такой системе нет потерь энергии, энергия всегда сохраняется и, таким образом: ^[12]

${\displaystyle E=K+U}$

Частота и период [ править ]

Угловая частота ω объекта в простом гармоническом движении, дан в радианах в секунду, обнаруживаются с помощью пружины K и массу объекта колебательного м ^[13] :

${\displaystyle \omega ={\sqrt {\frac {k}{m}}}}$^[14]

Период T , количество времени, в течение которого система пружина-масса завершает один полный цикл такого гармонического движения, определяется следующим образом: ^[15]

${\displaystyle T={\frac {2\pi }{\omega }}=2\pi {\sqrt {\frac {k}{m}}}}$^[14]

Частоты F , число колебаний в единицу времени, что - то в простом гармоническом движении определяется путем взятия обратного периода: ^[14]

${\displaystyle f={\frac {1}{T}}={\frac {\omega }{2\pi }}={\frac {1}{2\pi }}{\sqrt {\frac {k}{m}}}}$^[14]

Теория [ править ]

В классической физике , пружину можно рассматривать как устройство , которое хранит потенциальная энергию , в частности , упругая потенциальная энергия , напрягают связи между атомами в качестве упругого материала.

Закон упругости Гука гласит, что растяжение упругого стержня (его длина в растянутом состоянии минус длина в расслабленном состоянии) линейно пропорционально его натяжению - силе, используемой для его растяжения. Точно так же сжатие (отрицательное растяжение) пропорционально сжатию (отрицательное растяжение).

Этот закон на самом деле выполняется только приблизительно и только тогда, когда деформация (растяжение или сжатие) мала по сравнению с общей длиной стержня. При деформациях, превышающих предел упругости , атомные связи разрываются или перестраиваются, и пружина может сломаться, прогнуться или навсегда деформироваться. Многие материалы не имеют четко определенного предела упругости, и закон Гука не может быть осмысленно применен к этим материалам. Более того, для сверхупругих материалов линейная зависимость между силой и смещением подходит только в области низких деформаций.

Закон Гука является математическим следствием того факта, что потенциальная энергия стержня минимальна, когда он имеет расслабленную длину. Любая гладкая функция одной переменной приближается к квадратичной функции, когда исследуется достаточно близко к ее точке минимума, что можно увидеть, исследуя ряд Тейлора . Следовательно, сила - производная энергии по смещению - аппроксимирует линейную функцию .

Сила полностью сжатой пружины

${\displaystyle F_{max}={\frac {Ed^{4}(L-nd)}{16(1+\nu )(D-d)^{3}n}}\ }$

где

E - модуль Юнга

d - диаметр пружинной проволоки

L - свободная длина пружины

n - количество активных обмоток

${\displaystyle \nu }$- коэффициент Пуассона

D - наружный диаметр пружины

Пружины нулевой длины [ править ]

«Пружина нулевой длины» - это термин для специально разработанной цилиндрической пружины, которая оказывала бы нулевое усилие, если бы она имела нулевую длину; если бы не было ограничений из-за конечного диаметра проволоки такой винтовой пружины, она имела бы нулевую длину в нерастянутом состоянии. То есть на линейном графике силы пружины в зависимости от ее длины линия проходит через начало координат. Очевидно, что винтовая пружина не может сжаться до нулевой длины, потому что в какой-то момент витки касаются друг друга, и пружина больше не может сокращаться.

Нулевая длина пружина производится путем изготовления винтовой пружины со встроенным натяжением (Поворот вводятся в провод , как это свернутое в процессе производства. Это работает , потому что сжатая пружина «раскручивается» , как она тянется.), Так что если он может сокращаться кроме того, точка равновесия пружины, точка, в которой ее возвращающая сила равна нулю, находится на нулевой длине. На практике пружины нулевой длины изготавливаются путем объединения пружины «отрицательной длины», сделанной с еще большим натяжением, чтобы ее точка равновесия находилась на «отрицательной» длине, с куском неэластичного материала надлежащей длины, чтобы точка нулевой силы будет иметь нулевую длину.

Пружина нулевой длины может быть прикреплена к грузу на шарнирной стреле таким образом, чтобы сила, действующая на груз, почти точно уравновешивалась вертикальной составляющей силы пружины, независимо от положения стрелы. Это создает горизонтальный «маятник» с очень длинным периодом колебаний . Долгопериодические маятники позволяют сейсмометрам определять самые медленные волны землетрясений. ЛаКоста подвеска с нулевой длиной пружинами также используются в гравиметрах , потому что он очень чувствителен к изменениям гравитации. Пружины для закрывания дверей часто имеют примерно нулевую длину, поэтому они оказывают усилие, даже когда дверь почти закрыта, поэтому они могут удерживать ее в закрытом состоянии.

Использует [ редактировать ]

См. Также [ править ]

• Амортизатор

Ссылки [ править ]

Дальнейшее чтение [ править ]

• Склейтер, Нил. (2011). «Пружинно-винтовые устройства и механизмы». Справочник по механизмам и механическим устройствам. 5-е изд. Нью-Йорк: Макгроу Хилл. С. 279–299. ISBN 9780071704427 . Чертежи и конструкции различных пружинных и винтовых механизмов. 
• Пармли, Роберт. (2000). «Раздел 16: Пружины». Иллюстрированный справочник механических компонентов. Нью-Йорк: Макгроу Хилл. ISBN 0070486174 Чертежи, конструкции и обсуждение различных пружин и пружинных механизмов. 

• Надзиратель, Тим. (2021 год). «Банди 2 - альт-саксофон». Этот саксофон известен самой сильной из существующих игольчатых пружин.

Внешние ссылки [ править ]

Викискладе есть медиафайлы по теме Spring (устройство) .

• Паредес, Мануэль (2013). «Как сконструировать пружины» . insa de toulouse . Проверено 13 ноября 2013 года .
• Райт, Дуглас. «Знакомство с источниками» . Примечания по проектированию и анализу элементов машин . Департамент машиностроения и материаловедения, Университет Западной Австралии . Проверено 3 февраля 2008 года .
• Зильберштейн, Дэйв (2002). «Как сделать пружины» . Базиллион. Архивировано из оригинального 18 -го сентября 2013 года . Проверено 3 февраля 2008 года .
• Пружины с динамически изменяемой жесткостью (патент)
• Smart Springs и их комбинации (патент)