Vzmeti

Nategni vzmet in poženi animacijo. Glej delo, ki ga opravlja vzmet

dx[cm] KE[J]
   

konstanta vzmeti, k = N/m

Sila vzmeti se spreminja s položajem telesa. Zato lahko sicer določimo silo, vendar z uporabo kinematičnih enačb ne moremo določiti hitrosti telesa, ki je pritrjeno na konec vzmeti. Sila namreč ni konstantna, zato tudi pospešek ni konstanten. Kaj lahko storimo? Lahko uporabimo povezavo med energijo in delom.

Sistem krogle in vzmeti, ki je prikazan v animaciji, lahko raztegnemo s premikom rdeče krogle (1.0 kg) (položaj je podan v metrih, čas v sekundah). Črna puščica, ki je pritrjena na kroglo, kaže vsoto vektorjev sil na kroglo. Svetlordeča krogla na levi simbolično ustreza rdeči krogli in kaže vektorja posameznih sil, ki delujeta na rdečo kroglo. Rdeča in modra puščica prikazujeta sili vzmeti in teže.Gravitacijski pospešek je 9.8 m/s2.

Hookov zakon uči, da je sila vzmeti F = -k x, kjer je k konstanta vzmeti, raztezek x pa je merjen od ravnovesne lege vzmeti.

Kako potem določimo delo, ki ga opravi vzmet? Ker sila ni konstantna, moramo izračunati integral F cos(θ) Δx, kjer sta F in Δx velikosti vektorjev sile in odmika. Kot θ je kot med trenutno silo in smerjo premikanja.

Nategni vzmet in poženi animacijo.

Na začetku je vzmet stisnjena - vsota vektorjev sil kaže navzdol, tudi smer premika kaže navzdol - torej je cos(θ) = 1. Ugotovimo da je delo sile na začetku pozitivno (svetlomodro pobarvana površina), kinetična energija se povečuje. Po prehodu skozi ravnovesno stanje (y = 0.1 m za navedeni k) je vsota sil usmerjena navzgor, medtem ko smer premika še zmerom kaže navzdol. Iz tega sledi cos(θ) = -1: delo je negativno (oranžno pobarvana površina). Kinetična energija se zmanjšuje, dokler vzmet ne pride v položaj maksimalnega raztega in je hitrost v = 0.0 m/s. Proces se zatem obrne s pozitivnim delom dokler masa spet ne gre skozi raznovesno lego in vzmet spet opravlja negativno delo do začetnega položaja. Če ni zaviralnih sil se to ponavlja v neskončnost.