Определить коэффициент жесткости пружинной подвески

Определить коэффициент жесткости пружинной подвески

Глава 13. Динамика точки.

13.4. Свободные незатухающие колебания.

13.4.1. Груз массой m = 25 кг подвешен к пружине с коэффициентом жесткости с = 800 Н/м и находится в свободном прямолинейном вертикальном колебательном движении. Определить модуль ускоре­ния груза в момент времени, когда центр тяжести груза находится на расстоянии 5 см от положения статического равновесия. (Ответ 1,6)

13.4.2. Груз массой m = 20 кг подвешен к пружине с коэффициентом жесткости с = 400 Н/м и находится в свободном прямолинейном вертикальном колебательном движении. Определить, на каком рас­стоянии от положения статического равновесия находится центр тяжести груза в момент времени, когда его ускорение равно 3 м/с. (Ответ 0,15)

13.4.3. Определить приведенный коэффициент жесткости в Н/см двух последовательно соединенных пружин с коэффициентами жесткости с1 = 2 Н/см и с2 = 18 Н/см. (Ответ 1,8)

13.4.4. Коэффициенты жесткости пружин с1 = 2 Н/м, с2 = 4 Н/м и с3 = 6 Н/м. Определить коэффициент жесткости пружинной подвески. (Ответ 1,09)

13.4.5. Дифференциальное уравнение колебательного движения груза массой m = 0,5 кг, подвешенного к пружине, имеет вид у + 60у = 0. Определить коэффициент жесткости пружины. (Ответ 30)

13.4.6. Определить максимальное удлинение пру­жины АВ в см при свободных вертикальных колебаниях груза, если он прикреплен в точ­ке В к недеформированной пружине и отпус­кается из состояния покоя. Статическая де­формация пружины под действием груза равна 2 см.
(Ответ 4)

13.4.7. Тело массой m = 10 кг подвешено к пружине и совершает свобод­ные вертикальные колебания с периодом Т = 0,8 с. Определить коэф­фициент жесткости пружины. (Ответ 617)

13.4.8. Материальная точка массой m = 5 кг под­вешена к пружине и находится в свободном вертикальном колебательном движении, закон которого задан графиком функции х = x(t). Определить коэффициент жесткости пружины. (Ответ 548)

13.4.9. Определить период свободных вертикальных колебаний груза массой m = 80 кг, который прикреплен к пружине с коэффициен­том жесткости с = 2 кН/м. (Ответ 1,26)

13.4.10. Определить период свободных вертикальных колебаний тела, подвешенного к пружине, если статическая деформация пружины λ = 20 см. (Ответ 0,897)

13.4.11. Тело подвешено к пружине и совершает свободные вертикаль­ные колебания с периодом Т = 0,5 с. Определить массу точки, если коэффициент жесткости пружины с = 200 Н/м (Ответ 1,27)

13.4.12. Тело, подвешенное к пружине, совершает свободные вертикальные колебания, заданные графиком функции у = у(t). Определить мас­су тела, если коэффициент жесткости пружины с = 300 H/м. (Ответ 122)

13.4.13. Период свободных вертикальных колебаний груза, подвешенного на пружине с коэффициентом жесткости с = 2 кН/м, равен Т = πс. Оп­ределить массу груза. (Ответ 500)

13.4.14. Дифференциальное уравнение колебательного движения груза, подвешенного к пружине, имеет вид х + 20х = 0. Определить массу груза, если коэффициент жесткости пружины с = 150 Н/м. (Ответ 7,5)

Источник

Коэффициент жесткости стальной пружины

Для определения устойчивости и сопротивления к внешним нагрузкам используется такой параметр, как жесткость пружины. Также он называется коэффициентом Гука или упругости. По сути, характеристика жесткости пружины определяет степень ее надежности и зависит от используемого материала при производстве.

Читайте также:  Рычаг подвески 2108 с полиуретаном

Измерению коэффициента жесткости подлежат следующие типы пружин:

Изготовление пружин любого типа вы можете заказать здесь.

Какую жесткость имеет пружина

При выборе готовых пружин, например для подвески автомобиля, определить, какую жесткость она имеет, можно по коду продукта либо по маркировке, которая наносится краской. В остальных случаях расчет жесткости производится исключительно экспериментальными методами.

Жесткость пружины по отношению к деформации бывает величиной переменной или постоянной. Изделия, жесткость которых при деформации остается неизменной называются линейными. А те, у которых есть зависимость коэффициента жесткости от изменения положения витков, получили название «прогрессивные».

В автомобилестроении в отношении подвески существует следующая классификация жесткости пружин:

  • Возрастающая (прогрессирующая). Характерна для более жесткого хода автомобиля.
  • Уменьшающаяся (регрессирующая) жесткость. Напротив, обеспечивает, «мягкость» подвески.

Определение величины жесткости зависит от следующих исходных данных:

  • Тип сырья, используемый при изготовлении;
  • Диаметр витков металлической проволоки (Dw);
  • Диаметр пружины (в расчет берется средняя величина) (Dm);
  • Число витков пружины (Na).

Как рассчитать жесткость пружины

Для расчета коэффициента жесткости применяется формула:

k = G * (Dw)^4 / 8 * Na * (Dm)^3,

где G – модуль сдвига. Данную величину можно не рассчитывать, так как она приведена в таблицах к различным материалам. Например, для обыкновенной стали она равна 80 ГПа, для пружинной – 78,5 ГПа. Из формулы понятно, что наибольшее влияние на коэффициент жесткости пружины оказывают оставшиеся три величины: диаметр и число витков, а также диаметр самой пружины. Для достижения необходимых показателей жесткости изменению подлежат именно эти характеристики.

Вычислить коэффициент жесткости экспериментальным путем можно при помощи простейших инструментов: самой пружины, линейки и груза, который будет воздействовать на опытный образец.

Определение коэффициента жесткости растяжения

Для определения коэффициента жесткости растяжения производятся следующие расчеты.

  • Измеряется длина пружины в вертикальном подвесе с одной свободной стороной изделия – L1;
  • Измеряется длина пружины с подвешенным грузом – L2.Если взять груз массой 100гр., то он будет воздействовать силой в 1Н (Ньютон) – величина F;
  • Вычисляется разница между последним и первым показателем длины – L;
  • Рассчитывается коэффициент упругости по формуле: k = F/L.

Определение коэффициента жесткости сжатия производится по этой же формуле. Только вместо подвешивания груз устанавливается на верхнюю часть вертикально установленной пружины.

Подводя итог, делаем вывод, что показатель жесткости пружины является одной из существенных характеристик изделия, которая указывает на качество исходного материала и определяет долговечность использования конечного изделия.

При воздействии внешних сил тела способны приобретать ускорения или деформироваться. Деформацией называют изменение размеров и (или) формы тела. Если после снятия внешней нагрузки тело восстанавливает свои размеры и форму полностью, то такая деформация называется упругой.

Пусть на пружину на рис.1 действует растягивающая сила, направленная вертикально вниз.

При воздействии деформирующей силы ($overline $) длина пружины увеличивается. В пружине возникает сила упругости ($ >_u$), которая уравновешивает деформирующую силу. Если деформация небольшая и упругая, то удлинение пружины ($Delta l$) пропорционально деформирующей силе:

где в качестве коэффициента пропорциональности выступает жесткость пружины $k$. Коэффициент $k$ называют также коэффициентом упругости, коэффициентом жесткости. Жесткость (как свойство) характеризует упругие свойства тела, подвергаемого деформации – это возможность тела оказывать противодействие внешней силе, сохранять свои геометрические параметры. Коэффициент жесткости является основной характеристикой жесткости.

Читайте также:  Пружины для подвески автомобиля спортивные

Коэффициент жесткости пружины зависит от материала, из которого изготовлена пружина, ее геометрических характеристик. Так, коэффициент жесткости витой цилиндрической пружины, которая намотана из проволоки круглого сечения, подвергаемая упругой деформации вдоль своей оси вычисляется при помощи формулы:

где $G$ -модуль сдвига (величина зависящая от материала); $d$ – диаметр проволоки; $d_p$ – диаметр витка пружины; $n$ – количество витков пружины.

Единицы измерения жесткости пружины

Единицей измерения коэффициента жесткости в Международной системе единиц (Си) является ньютон, деленный на метр:

Коэффициент жесткости равен величине силы, которую следует приложить к пружине для изменения ее длины на единицу расстояния.

Жесткость соединений пружин

При последовательном соединении $N$ пружин жесткость соединения вычисляется при помощи формулы:

Если пружины соединены параллельно, то результирующая жесткость равна:

Примеры задач на жесткость пружин

Задание. Какова потенциальная энергия ($E_p$) деформации системы из двух параллельно соединенных пружин (рис.2), если их жесткости равны: $k_1=1000 frac $; $k_2=4000 frac $, а удлинение составляет $Delta l=0,01$ м.

Решение. При параллельном соединении пружин жесткость системы вычислим как:

Потенциальную энергию деформированной системы вычислим при помощи формулы:

Вычислим искомую потенциальную энергию:

Ответ. $E_p=0, 25$ Дж

Задание. Чему равна работа ($A$) силы растягивающей систему из двух последовательно соединенных пружин, имеющих жесткости $k_1=1000 frac и$ $k_2=2000 frac $, если удлинение второй пружины составляет $Delta l_2=0, 1 м$?

Решение. Сделаем рисунок.

При последовательном соединении пружин на каждую из них действует одна и та же деформирующая сила ($overline $), используя этот факт и закон Гука найдем удлинение первой пружины:

[F=k_1Delta l_1=k_2Delta l_2 o Delta l_1=frac left(2.1
ight).]

Работа силы упругости при растяжении первой пружины, равна:

Учитывая полученное в (2.1) удлинение первой пружины имеем:

Работа второй силы упругости:

Работа силы, которая растягивает систему пружин в целом, будет найдена как:

Подставим правые части выражений (2.3) и (2.4) в формулу (2.5), получаем:

Мы уже неоднократно пользовались динамометром – прибором для измерения сил. Познакомимся теперь с законом, позволяющим измерять силы динамометром и обуславливающим равномерность его шкалы.

Известно, что под действием сил возникает деформация тел – изменение их формы и/или размеров. Например, из пластилина или глины можно вылепить предмет, форма и размеры которого будут сохраняться и после того, когда мы уберём руки. Такую деформацию называют пластической. Однако, если наши руки деформируют пружину, то когда мы их уберём, возможны два варианта: пружина полностью восстановит форму и размеры или же пружина сохранит остаточную деформацию.

Если тело восстанавливает форму и/или размеры, которые были до деформации, то деформация упругая. Возникающая при этом в теле сила – это сила упругости, подчиняющаяся закону Гука:

F упр – модуль силы упругости тела, Н
| D l| – модуль удлинения тела, м
k – коэффициент жёсткости тела, Н/м

Поскольку удлинение тела входит в закон Гука по модулю, этот закон будет справедлив не только при растяжении, но и при сжатии тел.

Опыты показывают: если удлинение тела мало по сравнению с его длиной, то деформация всегда упругая; если удлинение тела велико по сравнению с его длиной, то деформация, как правило, будет пластической или даже разрушающей. Однако, некоторые тела, например, резинки и пружины деформируются упруго даже при значительных изменениях их длины. На рисунке показано более чем двухкратное удлинение пружины динамометра.

Читайте также:  Подвеска гольфа 4 конструкция

Для выяснения физического смысла коэффициента жёсткости, выразим его из формулы закона. Получим отношение модуля силы упругости к модулю удлинения тела. Вспомним: любое отношение показывает, сколько единиц величины числителя приходится на единицу величины знаменателя. Поэтому коэффициент жёсткости показывает силу, возникающую в упруго деформированном теле при изменении его длины на 1 м.

  1. Динамометр является .
  2. Благодаря закону Гука в динамометре наблюдается .
  3. Явлением деформации тел называют .
  4. Пластически деформированным мы назовём тело, .
  5. В зависимости от модуля и/или направления приложенной к пружине силы, .
  6. Деформацию называют упругой и считают подчиняющейся закону Гука, .
  7. Закон Гука носит скалярный характер, так как с его помощью можно определить только .
  8. Закон Гука справедлив не только при растяжении, но и при сжатии тел, .
  9. Наблюдения и опыты по деформации различных тел показывают, что .
  10. Ещё со времени детских игр мы хорошо знаем, что .
  11. По сравнению с нулевым штрихом шкалы, то есть недеформированным начальным состоянием, справа .
  12. Чтобы понять физический смысл коэффициента жёсткости, .
  13. В результате выражения величины «k» мы .
  14. Ещё из математики начальной школы мы знаем, что .
  15. Физический смысл коэффициента жёсткости состоит в том, что он .

Задача. К пружине, начальная длина которой 10 см, подвесили груз массой 1 кг. При этом пружина удлинилась до 15 см. Определите коэффициент жёсткости для данной пружины. С каким периодом подвешенный груз будет совершать вертикальные колебания на такой пружине?

Решение. Эта задача будет иметь решение, только если мы убедимся, что деформация пружины упруга. То есть при снятии груза пружина должна принять первоначальную длину, равную 10 см. Ответ на этот вопрос даст только опыт, то есть задача – отчасти экспериментальная.

Используя третий закон Ньютона в скалярной форме, а также закон Гука, подсчитаем коэффициент упругости пружины:

F тяж = F упр = k·| D l| = k · |l–l o | = k · ( l–l o )

Подставив жёсткость пружины 200 Н/м в формулу для периода колебаний пружинного маятника (см. § 11-б), вычислим период:

Ответ. Жёсткость пружины равна 200 Н/м, и 10 колебаний маятника будут совершены за 4 секунды, что можно проверить секундомером.

Пока мы вели речь только о твёрдых телах. Однако сила упругости возникает и в жидкостях, и в более сложных телах, например, воздушном шарике, состоящем из резиновой оболочки и воздуха. Можно ли к таким телам применять закон Гука (и если можно, то при насколько больших деформациях), нам даст ответ только эксперимент. Он же позволит вычислить коэффициенты жёсткости для этих тел.

  1. Какова длина недеформированной пружины?
  2. Чему равно удлинение пружины?
  3. В каком случае мы имеем право применить закон Гука?
  4. Проверить это можно следующим образом: .
  5. Коэффициент жёсткости по результатам вычислений равен .
  6. Проверить полученное значение мы можем путём измерения .
  7. При проверке нам нужно убедиться, что .
  8. Сила упругости возникает не только в .
  9. Закон Гука позволяет найти силу упругости .
  10. Важно: только предварительный эксперимент по изучению характера деформации позволит нам выяснить, .
  11. В случае упругой деформации тел, следующий эксперимент .

Физика.ru • Клуб для учителей физики, учащихся 7-9 классов и их родителей

Источник

Поделиться с друзьями