قانون هوک، یکی از پایه‌های اساسی در علم مقاومت مصالح است که رفتار مواد جامد تحت بارگذاری را توصیف می‌کند. این قانون ساده اما قدرتمند، درک عمیقی از نحوه واکنش مواد به نیروهای خارجی را به ما می‌دهد و در تحلیل و طراحی سازه‌ها، ماشین‌ها و سایر اجسام مهندسی نقش کلیدی ایفا می‌کند. در این مقاله، به بررسی جامع و دقیق قانون هوک خواهیم پرداخت و با زبانی ساده و روان، مفاهیم کلیدی آن را برای شما روشن خواهیم کرد.
1. مقدمه: کشف قانون هوک
قانون هوک توسط دانشمند انگلیسی، رابرت هوک، در سال 1676 کشف شد. هوک در آزمایش‌های خود مشاهده کرد که تغییر شکل یک فنر با نیروی وارد شده به آن متناسب است. به بیان دیگر، هر چه نیروی بیشتری به فنر وارد شود، فنر بیشتر کشیده می‌شود. این رابطه خطی بین نیرو و تغییر شکل، به عنوان قانون هوک شناخته می‌شود.
2. مفاهیم کلیدی: تنش، کرنش و مدول الاستیسیته
برای درک قانون هوک، لازم است با مفاهیم کلیدی تنش، کرنش و مدول الاستیسیته آشنا شویم.
تنش (Stress):تنش، نیروی داخلی وارد بر واحد سطح مقطع ماده است. واحد اندازه‌گیری تنش، پاسکال (Pa) یا نیوتن بر متر مربع (N/m²) است.
کرنش (Strain): کرنش، تغییر شکل نسبی ماده است که به صورت نسبت تغییر طول به طول اولیه تعریف می‌شود. کرنش، یک کمیت بدون بعد است و واحد ندارد.
مدول الاستیسیته (Modulus of Elasticity):** مدول الاستیسیته، یک ثابت ماده است که رابطه بین تنش و کرنش را توصیف می‌کند. مدول الاستیسیته، به عنوان سختی ماده نیز شناخته می‌شود و واحد اندازه‌گیری آن، پاسکال (Pa) است.
3. قانون هوک: رابطه بین تنش و کرنش
قانون هوک بیان می‌کند که در محدوده الاستیک ماده، تنش با کرنش متناسب است. به عبارت دیگر، می‌توان رابطه بین تنش و کرنش را به صورت زیر نوشت:
σ = E * ε
که در آن:
σ تنش است
ε کرنش است
E مدول الاستیسیته است
4. محدوده الاستیک و رفتار غیرخطی
قانون هوک تنها در محدوده الاستیک ماده معتبر است. در این محدوده، ماده پس از برداشتن بار به شکل اولیه خود باز می‌گردد. با افزایش بار، ماده وارد محدوده غیرخطی می‌شود که در آن رابطه خطی بین تنش و کرنش دیگر برقرار نیست. در نهایت، ماده به نقطه تسلیم می‌رسد که در آن تغییر شکل دائمی رخ می‌دهد.
برای آموزش درس مقاومت مصالح به سایت آکادمی نیک درس مراجعه کنید.
5. کاربردهای قانون هوک در مهندسی
قانون هوک در بسیاری از کاربردهای مهندسی، از جمله طراحی سازه‌ها، ماشین‌ها و سایر اجسام مهندسی، نقش کلیدی ایفا می‌کند. به عنوان مثال، از قانون هوک می‌توان برای محاسبه تغییر شکل یک تیر تحت بارگذاری، محاسبه تنش در یک پل یا طراحی یک فنر با سختی مشخص استفاده کرد.
6. نتیجه‌گیری: قانون هوک، ابزاری قدرتمند برای درک رفتار مواد
قانون هوک، یک ابزار قدرتمند برای درک رفتار مواد جامد تحت بارگذاری است. این قانون ساده اما بنیادی، در تحلیل و طراحی سازه‌ها، ماشین‌ها و سایر اجسام مهندسی نقش کلیدی ایفا می‌کند. با درک عمیق قانون هوک، می‌توانیم رفتار مواد را تحت بارگذاری پیش‌بینی کرده و سازه‌های ایمن و کارآمد طراحی کنیم.