หากคุณยืดหนังยางหรือยางรถยนต์จนถึงจุดหนึ่ง มันจะยืดออก หลังจากปล่อยแรงดึง ยางจะกลับคืนสู่ความยาวเดิม ในทำนองเดียวกัน เมื่อคุณยืดสปริง มันจะยืดออก หลังจากปล่อยแรงดึง มันจะกลับคืนสู่ความยาวเดิม สปริงหรือยางจะยืดออกเมื่อถูกยืด และจะกลับคืนสู่ความยาวเดิมหลังจากปล่อยแรงดึง เพราะมันมีคุณสมบัติยืดหยุ่นความยืดหยุ่นคือความสามารถของวัตถุที่จะกลับคืนสู่รูปทรงเดิมเมื่อแรงที่กระทำต่อมันถูกเอาออกไป
คุณเคยเคี้ยวหมากฝรั่งไหม? ถ้าคุณดึงหมากฝรั่งด้วยมือทั้งสองข้าง มันจะยาวขึ้น หลังจากที่คุณปล่อยแรงดึงแล้ว รูปร่างของหมากฝรั่งจะยังคงเหมือนเดิม หรือความยาวของหมากฝรั่งจะไม่กลับคืนสู่สภาพเดิม เช่นเดียวกับดินน้ำมัน ดินเหนียว ฯลฯ วัตถุเช่นหมากฝรั่ง ดินน้ำมัน และดินเหนียว เรียกว่าวัตถุพลาสติก วัตถุที่มีความยืดหยุ่น เช่น สปริง ก็สามารถกลายเป็นพลาสติกได้เช่นกัน หากถูกดึงด้วยแรงมากและเกินขีดจำกัดความยืดหยุ่นของมัน
ถ้าดึงสปริงไปทางขวา สปริงจะยืดออกและมีความยาวเพิ่มขึ้น (รูปที่ 1) หากแรงดึงไม่มากนัก จะพบว่าการเพิ่มขึ้นของความยาวของสปริงเป็นสัดส่วนกับขนาดของแรงดึง (F) กล่าวคือ ยิ่งแรงดึงมากเท่าใด การเพิ่มขึ้นของความยาวของสปริงก็จะยิ่งมากขึ้นเท่านั้น อัตราส่วนของขนาดของแรงดึง (F) ต่อการเพิ่มขึ้นของความยาวของสปริงจะมีค่าคงที่
อัตราส่วนระหว่างแรง (F) และการเพิ่มขึ้นของความยาวของสปริงมีค่าคงที่ ซึ่งแสดงให้เห็นได้จากความชันที่เท่ากันของกราฟ (รูปที่ 2)
k คือค่าคงที่ของสปริงหรือสัมประสิทธิ์ความยืดหยุ่นของสปริง หรือเป็นตัววัดความยืดหยุ่นของสปริง ความสัมพันธ์นี้ถูกสังเกตครั้งแรกโดยโรเบิร์ต ฮุก (ค.ศ. 1635 – 1703) ในปี ค.ศ. 1678 ดังนั้นจึงเรียกว่ากฎของฮุก
หากขนาดของแรงที่กระทำต่อสปริงเกินขีดจำกัดความยืดหยุ่นของสปริงแล้ว หลังจากถอนแรงออก ความยาวของสปริงจะไม่กลับคืนสู่ความยาวเดิม กฎของฮุคใช้ได้เฉพาะจนถึงขีดจำกัดความยืดหยุ่น เท่านั้น ขีดจำกัดความยืดหยุ่นของสปริงคือแรงสูงสุดที่สามารถกระทำต่อสปริงได้ก่อนที่สปริงจะเสียรูปถาวรและความยาวของสปริงจะไม่สามารถกลับคืนสู่ความยาวเดิมได้ หากขนาดของแรงยังคงเพิ่มขึ้นเรื่อยๆ สปริงจะเสียหาย
ตัวอย่างคำถาม
1. ข้อสอบระดับชาติ ปี 2018
ลูกศรถูกผูกติดกับสายธนู จากนั้นถูกดึงกลับด้วยแรง 20 นิวตัน ทำให้สายธนูยืดออกเป็นระยะทาง 20 เซนติเมตร ไม่คิดแรงเสียดทานอากาศ มวลของลูกศรคือ 250 กรัม ดังนั้นความเร็วของลูกศรเมื่อยิงออกจากธนูคือ…
การอภิปราย
เป็นที่ทราบกันดีว่า:
แรง (F) = 20 นิวตัน
ความยาวที่เพิ่มขึ้น ( s) = 20 ซม. = 0,2 ม.
มวลของลูกศร (ม.) = 250 กรัม = 0,25 กิโลกรัม
ความเร็วเริ่มต้น (v o ) = 0 ม./วินาที
คำถาม:ความเร็วของลูกธนูเมื่อยิงออกจากคันธนูเป็นเท่าใด
คำตอบ:
งาน (W) = การเปลี่ยนแปลงพลังงานจลน์ ( ΔEK)
W = F s = (20)(0,2) = 4
EK = 1/2 ม. (vt2 - vo2) = 1/2 ม. (vt2) = 1/2 (0,25)(vt2) = 1/2 (0,25)(vt2) = 0,125 โวลต์t2
W = ΔEK
F s = 1/2 m (v t 2 )
4 = 0,125 v t 2
4/0,125 = v t 2
v t 2 = 32
v t = √32
v t = √(16)(2)
v t = 4√2 ม./วินาที
