Пружина (устройство)

Упругий предмет, хранящий механическую энергию.

Спиральные винтовые пружины , рассчитанные на растяжение.

Мощная винтовая пружина, рассчитанная на сжатие и растяжение.

Английский длинный лук — простая, но очень мощная пружина из тиса длиной 2 м (6 футов 7 дюймов) с усилием натяжения 470 Н (105 фунтов силы) , причем каждая конечность функционально представляет собой консольную пружину.

Сила (F) против расширения (s). ^{[ нужна ссылка ]} Характеристики пружины: (1) прогрессивная, (2) линейная, (3) дегрессивная, (4) почти постоянная, (5) прогрессивная с коленом

Механически обработанная пружина объединяет в себе несколько элементов в одной заготовке прутка.

Устройство стрельбы из военной мины-ловушки из СССР (обычно подключаемое к растяжке ) с подпружиненным ударником.

Пружина — это устройство, состоящее из эластичного , но в значительной степени жесткого материала (обычно металла), изогнутого или сформованного в форму (особенно витую), которая может возвращаться в форму после сжатия или растяжения . ^[1] Пружины могут накапливать энергию при сжатии. В повседневном использовании этот термин чаще всего относится к винтовым пружинам , но существует множество различных конструкций пружин. Современные пружины обычно изготавливаются из пружинной стали . Примером неметаллической пружины является лук , традиционно изготавливаемый из гибкого тиса , который при натяжении сохраняет энергию для движения стрелы .

Когда обычная пружина, не имеющая свойств изменчивости жесткости, сжимается или растягивается из положения покоя, она оказывает противодействующую силу , примерно пропорциональную ее изменению длины (это приближение не работает при больших отклонениях). Жесткость или жесткость пружины — это изменение прилагаемой ею силы, разделенное на изменение отклонения пружины . То есть это градиент кривой силы и отклонения . Жесткость пружины растяжения или сжатия выражается в единицах силы, разделенной на расстояние, например, Н/м или фунт-сила/дюйм. Торсионная пружина — это пружина, которая работает за счет скручивания; когда он поворачивается вокруг своей оси на угол, он создает крутящий момент , пропорциональный углу. Жесткость торсионной пружины выражается в единицах крутящего момента, разделенных на угол, например Н·м / рад или фут·фунт-сила /градус. Обратной величиной жесткости пружины является податливость, то есть: если пружина имеет жесткость 10 Н/мм, ее податливость равна 0,1 мм/Н. Жесткость (или жесткость) параллельных пружин аддитивна , как и податливость последовательно соединенных пружин.

Пружины изготавливаются из различных эластичных материалов, наиболее распространенным из которых является пружинная сталь. Маленькие пружины можно навивать из предварительно закаленной заготовки, а более крупные изготавливают из отожженной стали и закаливают после изготовления. Также используются некоторые цветные металлы , в том числе фосфористая бронза и титан для деталей, требующих коррозионной стойкости, и низкоомная бериллиевая медь для пружин, пропускающих электрический ток .

История

Простые невитые пружины использовались на протяжении всей истории человечества, например, в луке (и стрелах). В бронзовом веке использовались более сложные пружинные устройства, о чем свидетельствует распространение пинцетов во многих культурах. Ктесибий Александрийский разработал метод изготовления пружин из сплава бронзы с увеличенной долей олова, закаленного ковкой после отливки.

Витые пружины появились в начале 15 века ^[2] в дверных замках. ^[3] Первые часы с пружинным приводом появились в этом столетии ^{[3] [4] [5]} и превратились в первые большие часы к 16 веку.

В 1676 году британский физик Роберт Гук постулировал закон Гука , который гласит, что сила, которую оказывает пружина, пропорциональна ее растяжению.

Типы

Спиральная торсионная пружина, или волосковая пружина , в будильнике .

Контакты батареи часто имеют регулируемую пружину.

Спиральная пружина . При сжатии катушки скользят друг по другу, что обеспечивает более длинный ход.

Вертикальные спиральные пружины бака Стюарта

Выбор различных дуговых пружин и систем дуговых пружин (систем, состоящих из внутренних и внешних дуговых пружин).

Пружины растяжения в реверберационном устройстве сложенной стропы.

Торсион скрутился под нагрузкой

Листовая рессора на грузовик

Классификация

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

Пружина растяжения/растяжения

Пружина рассчитана на работу с растягивающей нагрузкой, поэтому при приложении к ней нагрузки пружина растягивается.

Пружина сжатия

Разработан для работы с сжимающей нагрузкой, поэтому пружина укорачивается по мере приложения к ней нагрузки.

Пружина кручения

В отличие от вышеупомянутых типов, в которых нагрузка представляет собой осевую силу, нагрузка, приложенная к торсионной пружине, представляет собой крутящий момент или скручивающую силу, а конец пружины поворачивается на угол при приложении нагрузки.

Постоянная весна

Поддерживаемая нагрузка остается неизменной на протяжении всего цикла отклонения ^[6]

Переменная пружина

Сопротивление катушки нагрузке меняется в процессе сжатия ^[7]

Пружина переменной жесткости

Сопротивление катушки нагрузке может динамически изменяться, например, с помощью системы управления; некоторые типы этих пружин также варьируют свою длину, тем самым обеспечивая возможность срабатывания ^[8].

Их также можно классифицировать по форме:

Плоская пружина

Изготовлен из плоской пружинной стали .

Обработанная пружина

Изготовлены путем обработки прутковой заготовки на токарном и/или фрезерном станке, а не намоткой. Поскольку пружина обработана механической обработкой, она может включать в себя дополнительные элементы помимо упругого элемента. Механически обработанные пружины могут быть изготовлены для типичных случаев нагрузки сжатия/растяжения, кручения и т. д.

Змеиный источник

Зигзаг из толстой проволоки, часто используемый в современной обивке/мебели.

Подвязка пружинная

Витая стальная пружина, соединенная на каждом конце, образующая круглую форму.

Распространенные типы

Наиболее распространенные типы пружин:

Консольная пружина

Плоская пружина закреплена только на одном конце, как консоль , тогда как свободно висящий конец принимает на себя нагрузку.

Винтовая пружина

Также известна как винтовая пружина. Пружина (изготовленная путем наматывания проволоки на цилиндр) бывает двух типов:

• Пружины растяжения или растяжения удлиняются под нагрузкой. Их витки (петли) в ненагруженном положении обычно соприкасаются и на каждом конце имеют крючок, проушину или какое-либо другое средство крепления.
• Пружины сжатия сконструированы таким образом, чтобы при нагрузке становиться короче. Их витки (петли) в разгруженном положении не соприкасаются и не нуждаются в точках крепления.
• Полые трубчатые пружины могут быть пружинами растяжения или пружинами сжатия. Полая трубка заполнена маслом и средствами изменения гидростатического давления внутри трубки, такими как мембрана или миниатюрный поршень и т. д., чтобы укрепить или ослабить пружину, так же, как это происходит с давлением воды внутри садового шланга. Альтернативно, поперечное сечение трубки выбирается такой формы, которая меняет свою площадь, когда трубка подвергается крутильной деформации: изменение площади поперечного сечения приводит к изменению внутреннего объема трубки и потоку масла в/из пружины, что может управляться клапаном, тем самым контролируя жесткость. Существует множество других конструкций пружин из полых трубок, которые в дополнение к своим пружинным качествам могут изменять жесткость с любой желаемой частотой, многократно изменять жесткость или перемещаться как линейный привод.

Дуговая пружина

Предварительно изогнутая или дугообразная винтовая пружина сжатия, способная передавать крутящий момент вокруг оси.

Спиральная пружина

Винтовая пружина сжатия имеет форму конуса, благодаря чему при сжатии витки не прижимаются друг к другу, что обеспечивает более длительный ход.

Балансовая пружина

Также известен как пружина для волос. Нежная спиральная пружина, используемая в часах , гальванометрах и местах, где электричество должно подаваться к частично вращающимся устройствам, таким как рулевые колеса, не препятствуя вращению.

Листовая рессора

Плоская пружина, используемая в подвесках транспортных средств , электрических переключателях и дугах .

V-образная пружина

Используется в старинных механизмах огнестрельного оружия , таких как колесные замки , кремневые замки и капсюльные замки. Также пружина дверного замка, используемая в старинных дверных защелках. ^[9]

Другие типы

Другие типы включают в себя:

Шайба Бельвиля

Дискообразная пружина, обычно используемая для приложения напряжения к затвору (а также в механизме инициирования наземных мин , активируемых давлением ).

Пружина постоянной силы

Туго скрученная лента, которая при развертывании оказывает почти постоянную силу.

Газовый грифон

Объем сжатого газа.

Идеальная весна

Идеализированная идеальная пружина без веса, массы, потерь на демпфирование или ограничений - концепция, используемая в физике. Сила, которую должна оказывать идеальная пружина, точно пропорциональна ее растяжению или сжатию. ^[10]

Заводная пружина

Спиральная лентообразная пружина, используемая в качестве накопителя энергии часовых механизмов: часов , часов , музыкальных шкатулок , заводных игрушек и фонарей с механическим приводом.

Отрицательная пружина

Тонкая металлическая полоса, слегка вогнутая в поперечном сечении. В свернутом состоянии он имеет плоское поперечное сечение, но при развертывании он возвращается к своей прежней кривой, создавая, таким образом, постоянную силу на протяжении всего перемещения и сводя на нет любую тенденцию к перемотке. Наиболее распространенным применением является правило втягивающейся стальной ленты. ^[11]

Винтовые пружины с прогрессивной скоростью

Винтовая пружина с переменной жесткостью, обычно достигаемая за счет неравного расстояния между витками, так что при сжатии пружины один или несколько витков упираются в соседний.

Резинка

Пружина растяжения, в которой энергия накапливается за счет растяжения материала.

Проволочная губка

Используется для приложения постоянной растягивающей силы вдоль оси крепежа .

Пружина кручения

Любая пружина, предназначенная для скручивания, а не сжатия или растяжения. ^[12] Используется в торсионных системах подвески автомобилей.

Волновая весна

различные типы пружин, уплотненные за счет использования волн для создания пружинящего эффекта.

Физика

Закон Гука

Идеальная пружина действует в соответствии с законом Гука, который гласит, что сила, с которой пружина отталкивается назад, линейно пропорциональна расстоянию от ее равновесной длины:

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

где

x — вектор смещения — расстояние и направление деформации пружины от ее равновесной длины.

F — результирующий вектор силы — величина и направление возвращающей силы, которую оказывает пружина.

k — жесткость , постоянная пружины или постоянная силы пружины, константа, которая зависит от материала и конструкции пружины. Знак минус указывает на то, что сила, которую оказывает пружина, направлена ​​в направлении, противоположном ее смещению.

Большинство реальных пружин примерно подчиняются закону Гука, если они не растянуты или не сжаты сверх предела упругости .

Винтовые пружины и другие распространенные пружины обычно подчиняются закону Гука. Есть полезные пружины, которые этого не делают: пружины, основанные на изгибе балки, могут, например, создавать силы, которые нелинейно изменяются в зависимости от смещения.

Если конические пружины изготовлены с постоянным шагом (толщиной проволоки), они имеют переменную жесткость. Однако коническую пружину можно обеспечить постоянной жесткостью, создав пружину с переменным шагом. Больший шаг в витках большего диаметра и меньший шаг в витках меньшего диаметра заставляет пружину сжиматься или растягиваться все витки с одинаковой скоростью при деформации.

Простые гармонические колебания

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

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

Смещение x как функция времени. Количество времени, которое проходит между пиками, называется периодом .

Масса пружины мала по сравнению с массой присоединенной массы и игнорируется. Поскольку ускорение — это просто вторая производная x по времени,

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

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

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

Решением которого является сумма 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 представляют собой произвольные константы, которые можно найти, рассматривая начальное смещение и скорость массы. График этой функции с (нулевым начальным положением с некоторой положительной начальной скоростью) показан на изображении справа. ${\displaystyle B}$ ${\displaystyle B=0}$

Энергетическая динамика

При простом гармоническом движении системы пружина-масса энергия будет колебаться между кинетической энергией и потенциальной энергией , но полная энергия системы остается неизменной. Пружина, подчиняющаяся закону Гука с жесткостью пружины k , будет иметь полную энергию системы E : ^[13]

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

Здесь A — амплитуда волнообразного движения, вызванного колебательным поведением пружины.

Потенциальную энергию U такой системы можно определить через жесткость пружины k и ее смещение x : ^[13]

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

Кинетическая энергия K объекта, находящегося в простом гармоническом движении, может быть найдена, используя массу прикрепленного объекта m и скорость , с которой объект колеблется v : ^[13]

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

Поскольку в такой системе нет потерь энергии, энергия всегда сохраняется и, следовательно: ^[13]

${\displaystyle E=K+U}$

Частота и период

Угловая частота ω объекта, находящегося в простом гармоническом движении, выраженная в радианах в секунду, находится с использованием жесткости пружины k и массы колеблющегося объекта m ^[14] :

${\displaystyle \omega ={\sqrt {\frac {k}{m}}}}$^[13]

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

${\displaystyle T={\frac {2\pi }{\omega }}=2\pi {\sqrt {\frac {m}{k}}}}$^[13]

Частота f , количество колебаний в единицу времени чего-либо в простом гармоническом движении , находится путем обратного периода: ^[13]

${\displaystyle f={\frac {1}{T}}={\frac {\omega }{2\pi }}={\frac {1}{2\pi }}{\sqrt {\frac {k}{m}}}}$^[13]

Теория

В классической физике пружину можно рассматривать как устройство, которое накапливает потенциальную энергию , в частности потенциальную энергию упругости , путем напряжения связей между атомами упругого материала .

Закон упругости Гука гласит, что растяжение упругого стержня (его растянутая длина минус расслабленная длина) линейно пропорционально его натяжению — силе, использованной для его растяжения. Точно так же сокращение (отрицательное растяжение) пропорционально сжатию ( отрицательное напряжение).

На самом деле этот закон выполняется лишь 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, выгнуться или необратимо деформироваться. Многие материалы не имеют четко определенного предела упругости, и закон Гука не может быть применим к этим материалам. Более того, для сверхэластичных материалов линейная зависимость между силой и перемещением справедлива 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 аппроксимирует квадратичную функцию , если рассматривать ее достаточно близко к ее минимальной точке, как можно увидеть, исследуя ряд Тейлора . Следовательно, сила, которая является производной 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 – внешний диаметр пружины

Пружины нулевой длины

Упрощенная подвеска LaCoste с использованием пружины нулевой длины.

График зависимости длины пружины L от силы F для обычных (+), пружин нулевой длины (0) и отрицательной длины (-) с одинаковой минимальной длиной L ₀ и жесткостью пружины

Пружина нулевой длины — это термин, обозначающий специально разработанную винтовую пружину, которая оказывала бы нулевую силу, если бы имела нулевую длину; если бы не было ограничений из-за конечного диаметра проволоки такой винтовой пружины, в нерастянутом состоянии она имела бы нулевую длину. То есть на линейном графике зависимости силы пружины 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 соприкасаются друг с другом, и пружина больше не может укорачиваться.

Пружины нулевой длины изготавливаются путем изготовления винтовой пружины со встроенным натяжением (в процессе производства в проволоку вводится скручивание; это работает, потому что спиральная пружина раскручивается при растяжении), поэтому, если бы она могла сжиматься дальше, точка равновесия пружины, точка, в которой ее восстанавливающая сила равна нулю, находится на нулевой длине. На практике пружины нулевой длины изготавливаются путем объединения пружины отрицательной длины , изготовленной с еще большим натяжением, чтобы ее точка равновесия имела отрицательную длину, с куском неэластичного материала нужной длины, чтобы точка нулевой силы возникала при нуле. длина.

Пружину нулевой длины можно прикрепить к массе на шарнирной стреле таким образом, чтобы сила, действующая на массу, почти точно уравновешивалась вертикальной составляющей силы пружины, независимо от положения стрелы. Это создает горизонтальный маятник с очень большим периодом колебаний . Маятники с длинным периодом позволяют сейсмометрам улавливать самые медленные волны землетрясений. Подвеска LaCoste с пружинами нулевой длины также используется в гравиметрах , поскольку она очень чувствительна к изменениям силы тяжести. Пружины для закрытия дверей часто имеют примерно нулевую длину, поэтому они прилагают усилие, даже когда дверь почти закрыта, и могут надежно удерживать ее в закрытом состоянии.

Использование

• Страйкбольное оружие
• Аэрокосмическая промышленность
• Выдвижные шариковые ручки
• Пружинные клавиатуры с изгибом
• Заводные часы, часы и другие вещи
• Огнестрельное оружие
• Передняя или кормовая рессора - метод швартовки судна к береговому приспособлению.
• Промышленное оборудование
• Ювелирные изделия : Застежки-механизмы
• Большинство складных ножей и выкидных ножей
• Механизмы замка : Распознавание ключа и координация движений различных частей замка.
• Пружинные матрасы
• Медицинские приборы ^[16]
• Пого Стик
• Вскрывающиеся устройства: проигрыватели компакт-дисков , магнитофоны , тостеры и т. д.
• Весенняя реверберация
• Игрушки ; игрушка -слинки просто пружинка
• Батут
• Пружины обивки
• Подвеска автомобиля , Листовые рессоры

Смотрите также

• Амортизатор
• Обтягивающая игрушка с винтовой пружиной.
• Спиральная пружина

Рекомендации

1. "весна" . Оксфордский словарь английского языка (онлайн-изд.). Издательство Оксфордского университета . (Требуется подписка или членство участвующей организации.) V. 25.
2. Springs, как производятся продукты, 14 июля 2007 г.
3. Уайт, Линн младший (1966). Средневековые технологии и социальные изменения . Нью-Йорк: Оксфордский университет. Нажимать. стр. 126–27. ISBN 0-19-500266-0.
4. Ашер, Эббот Пейсон (1988). История механических изобретений. Курьер Дувр. п. 305. ИСБН 0-486-25593-Х.
5. Дорн-ван Россум, Герхард (1998). История часа: часы и современные временные порядки. унив. из Чикаго Пресс. п. 121. ИСБН 0-226-15510-2.
6. Трубопроводные технологии и продукция Constant Springs (получено в марте 2012 г.)
7. Переменная пружина поддерживает трубопроводные технологии и продукты (получено в марте 2012 г.)
8. «Пружины с динамически изменяемой жесткостью и способностью срабатывания». 3 ноября 2016 г. Получено 20 марта 2018 г. - через google.com. {{cite journal}}: Требуется цитировать журнал |journal=( помощь )
9. "Пружины дверного замка" . www.springmasters.com . Проверено 20 марта 2018 г.
10. Эдвардс, Бойд Ф. (27 октября 2017 г.). Идеальная пружина и простое гармоническое движение (Видео) . Университет штата Юта – через YouTube.На основе Катнелла, Джона Д.; Джонсон, Кеннет В.; Янг, Дэвид; Стадлер, Шейн (2015). «10.1 Идеальная пружина и простое гармоническое движение». Физика . Хобокен, Нью-Джерси: Уайли. ISBN 978-1-118-48689-4. ОСЛК  892304999.
11. Сэмюэл, Эндрю; Вейр, Джон (1999). Введение в инженерное проектирование: моделирование, синтез и стратегии решения проблем (2-е изд.). Оксфорд, Англия: Баттерворт. п. 134. ИСБН 0-7506-4282-3.
12. Гетч, Дэвид Л. (2005). Технический рисунок. Cengage Обучение. ISBN 1-4018-5760-4.
13. «13.1: Движение системы пружин-масс». Свободные тексты по физике . 17 сентября 2019 г. Проверено 19 апреля 2021 г.
14. «Гармоническое движение». labman.phys.utk.edu . Проверено 19 апреля 2021 г.
15. «Простое гармоническое движение | Формула, примеры и факты» . Британская энциклопедия . Проверено 19 апреля 2021 г.
16. «Пружины сжатия». Винтовые пружины Прямые .

дальнейшее чтение

• Склейтер, Нил. (2011). «Пружинные и винтовые устройства и механизмы». Справочник по механизмам и механическим устройствам. 5-е изд. Нью-Йорк: МакГроу Хилл. стр. 279–299. ISBN 9780071704427 . Чертежи и конструкции различных пружинных и винтовых механизмов. 
• Пармли, Роберт. (2000). «Раздел 16: Пружины». Иллюстрированный справочник по механическим компонентам. Нью-Йорк: МакГроу Хилл. ISBN 0070486174 Чертежи, конструкции и обсуждение различных пружин и пружинных механизмов. 
• Смотритель, Тим. (2021). «Альт-саксофон Банди 2». Этот саксофон известен тем, что у него самые сильные натянутые игольчатые пружины из существующих.

Внешние ссылки

• Паредес, Мануэль (2013). «Как сконструировать пружины». Инса де Тулуза . Проверено 13 ноября 2013 г.
• Райт, Дуглас. «Знакомство с источниками». Заметки по проектированию и анализу элементов машин . Департамент машиностроения и материаловедения Университета Западной Австралии . Проверено 3 февраля 2008 г.
• Зильберштейн, Дэйв (2002). «Как сделать пружины». Базиллион. Архивировано из оригинала 18 сентября 2013 года . Проверено 3 февраля 2008 г.
• Пружины с динамически изменяемой жесткостью (патент)
• Умные пружины и их комбинации (патент)