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弹簧的弹性与弹簧势能

2019-09-27

 物体由于弹性变形和各部分之间弹性力的相互作用而产生的势能称为“弹性势能”  它在工程上也被称为“弹性变形能”。  例如,压缩气体、弯曲弓形、卷绕弹簧、拉伸或压缩弹簧都具有弹性势能。  

弹性势能是在材料或物理系统的构造中储存的潜在机械能,因为做功使其体积或形状变形  当需要压缩和拉伸时,或者当变形以基本上任何方式发生时,就会产生弹性能量。  弹性理论主要发展成固体和材料力学的形式[1](注意,通过拉伸橡胶带所做的功不是弹性势能的例子,它是熵弹性的例子),弹性势能方程被用来计算机械平衡位置。  从数学上讲,这个方程可以表述为[2]: 

 

势能的单位与功的单位是一致的  为了确定弹性势能的大小,应选择零势能状态。一般来说,弹簧的选择没有任何变形,但在自由状态下其弹性势能为零。  物体上弹性力所做的功等于弹性势能增量的负值。  也就是说,弹力所做的功只与弹簧在初始状态和最终状态下的伸长有关,与弹簧的变形过程无关。  弹性势能是以弹性力的存在为前提的,所以弹性势能是由一个物体所拥有的,该物体各部分之间有弹性变形和弹力。  如果两个物体之间的相互作用发生变形,那么每个物体都有弹性势能,总弹性势能是两者之和  

弹性本质上是可逆的  施加在弹性材料上的力将能量转移到材料中,并且在将能量转移到其周围环境后可以恢复其原始形状。  然而,所有材料在不破坏或不可逆地改变其内部结构的情况下,其能够承受的变形程度都是有限的。  因此,固体材料的特性通常包括应变弹性极限的规格。  超过弹性极限后,材料不再以弹性能量的形式储存对其进行机械操作的所有能量。  

物质内部或内部的弹性能量是构型的静态能量  它对应于主要通过改变原子核之间的原子间距而储存的能量  热能是材料中动能的随机分布,导致材料在平衡构型附近的统计波动。  但是有一些互动  例如,对于一些固体物体,扭曲、弯曲和其他变形可能产生热能,导致材料温度升高  固体中的热能通常由称为声子的内部弹性波来实现。  孤立物体的大规模弹性波通常会产生缺乏充分随机性的宏观振动,它们的振动只是物体中(弹性)势能和整个物体运动动能之间的重复交换。   

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