انرژی کشسانی چیست؟
انرژی کشسانی چگونه کار میکند؟
تصور کن یک کش لاستیکی در دست داری. وقتی آن را میکشی، برای کشیدن آن نیرو وارد میکنی. این نیرو باعث میشود شکل کش تغییر کند (کشیده شود). در این حالت، انگار انرژی در داخل کش ذخیره شده است. وقتی کش را رها میکنی، این انرژی آزاد میشود و کش به شکل اولیه خود برمیگردد. به این انرژی ذخیره شده، انرژی کشسانی۱ میگویند.
هر چه جسم را بیشتر بکشی یا فشرده کنی، انرژی بیشتری در آن ذخیره میشود. مانند یک فنر که وقتی آن را فشار میدهی، انرژی در آن جمع میشود و وقتی رهایش میکنی، این انرژی را آزاد میکند.
اجسام کشسان در زندگی روزمره
ما هر روز با اجسام کشسان زیادی سر و کار داریم. در جدول زیر برخی از این اجسام و نحوهی ذخیرهسازی انرژی در آنها آورده شده است:
وسیله | نحوه ذخیره انرژی | نتیجه آزادسازی انرژی |
---|---|---|
تیر و کمان | کشیدن زه (تسمه) کمان | پرتاب تیر |
تشک بادی (ترامپولین) | فشرده شدن هنگام پرش | پرتاب فرد به بالا |
فنر خودکار | فشرده شدن با فشار دادن دکمه | بازگشت نوک خودکار به داخل |
کفش کتانی | فشرده شدن کف لاستیکی هنگام دویدن | کمک به جهش بهتر پا |
آشنایی با قانون هوک
یک دانشمند انگلیسی به نام رابرت هوک۳ رابطهای ساده را برای فنرها کشف کرد. این قانون میگوید: هر چه یک فنر را بیشتر بکشی، نیروی بیشتری برای کشیدن آن نیاز داری. اما فقط تا یک حد معین! اگر فنر را خیلی زیاد بکشی، برای همیشه تغییر شکل میدهد و دیگر به حالت اول برنمیگردد.
این رابطه را میتوان به صورت زیر نشان داد:
در این فرمول:
F نیروی وارد شده به فنر است.
k ثابت فنر (که نشان میدهد فنر چقدر سفت یا نرم است).
x مقدار تغییر طول فنر (میزان کشیدگی یا فشردگی) است.
مثلاً اگر یک فنر نرم داشته باشی (k کوچک)، با نیروی کمی زیاد کشیده میشود. اما یک فنر سفت (k بزرگ) برای کشیده شدن به نیروی بیشتری نیاز دارد.
از اسباببازی تا صنعت: کاربردهای انرژی کشسانی
این انرژی فقط برای بازی نیست! در بسیاری از وسایل مهم از آن استفاده میشود.
یک اتومبیل اسباببازی کوکی را در نظر بگیر. وقتی آن را به عقب میکشی، یک فنر داخل آن فشرده و انرژی در آن ذخیره میشود. وقتی ماشین را رها میکنی، این انرژی آزاد شده و به انرژی حرکتی تبدیل میشود و ماشین به حرکت درمیآید.
در زندگی واقعی، کمربند ایمنی ماشین نیز از این قانون استفاده میکند. وقتی ترمز ناگهانی میکنی، یک قفل کننده در کمربند، آن را قفل میکند. بخشی از کمربند کمی کش میآید تا نیروی ترمز شدید را به آرامی به بدن تو منتقل کند و از آسیب دیدن تو جلوگیری نماید. این کشش، انرژی کشسانی را در بافت کمربند ذخیره میکند.
اشتباهات رایج و پرسشهای مهم
خیر. فقط اجسامی که خاصیت کشسان دارند، یعنی پس از تغییر شکل به حالت اولیه بازمیگردند، میتوانند این انرژی را ذخیره کنند. مثلاً خمیر بازی کشسان نیست زیرا پس از فشار دادن، شکل جدیدی به خود میگیرد و برنمیگردد.
اگر کش را بیش از حد بکشی، از حد کشسانی۴ خود عبور میکند و پاره میشود یا برای همیشه کشیده باقی میماند. در این حالت، دیگر انرژی کشسانی ذخیره نمیکند زیرا نمیتواند به شکل اولیه بازگردد.
وقتی میپری، ماهیچههای پاهایت مانند یک فنر عمل میکنند. آنها فشرده و سپس با آزاد کردن انرژی کشسانی، تو را به سمت بالا پرتاب میکنند. این همان اصلی است که در ترامپولین نیز دیده میشود.
پاورقی
۱ Elastic Potential Energy
۲ Potential Energy
۳ Robert Hooke
۴ Elastic Limit