กฎของฮุก

กฎของฮุก (อังกฤษ: Hooke's law) เป็นกฎทางฟิสิกส์ที่กล่าวว่าแรง $F$ ที่ต้องใช้ในการยืดหรือหดสปริงเป็นระยะทาง $x$ นั้นจะแปรผันตรงกับระยะทางนั้น หรือ $F_{s}=kx$ โดย $k$ คือค่าคงที่ของสปริงหรือความเหนียวของสปริง และ $x$ นั้นมีขนาดเล็กเทียบกับความยาวของสปริง กฎนี่ตั้งชื่อตามนักฟิสิกส์ชาวอังกฤษในศตวรรษที่ 17 ชื่อว่า รอเบิร์ต ฮุก^[1] กฎของฮุกนั้นสามารถนำไปประยุกต์ใช้ได้ในสถานการณ์อื่นที่มีการเปลี่ยนรูปร่างของวัตถุยืดหยุ่น เช่น เมื่อมีลมพัดตึกสูงหรือเมื่อดีดสายกีตาร์

กฎของฮุกนั้นเป็นเพียงการประมาณ ในความเป็นจริงนั้นวัตถุจะเสียสภาพเมื่อถูกยืดหรือหดถึงจุด ๆหนึ่ง นอกจากนี้วัสดุหลายประเภทนั้นยังเบี่ยงเบนไปจากกฎของฮุกเมื่อระยะยืดมีค่ามากระดับหนึ่ง อย่างไรก็ตามกฎของฮุกก็มีความแม่นยำในของแข็งหลายชนิด ตราบใดที่แรงและการยืดหดของมันไม่มากจนเกินไป ด้วยเหตุนี้เองกฎของฮุกจึงถูกใช้ในวิทยาศาสตร์และวิศวกรรมหลายแขนง และเป็นพิ้นฐานของศาสตร์ต่าง ๆ เช่น วิทยาแผ่นดินไหว กลศาสตร์โมเลกุล สวนศาสตร์ รวมถึงเป็นหลักการทำงานของอุปกรณ์เช่น ตาช่างสปริง มาโนมิเตอร์ นาฬิกากล

ในทฤษฎีความยืดหยุ่นกฎของฮุกกล่าวว่า ความเครียดของวัสดุยืดหยุ่นนั้นแปรผันตรงกับความเค้นที่กระทำต่อวัสดุนั้น อย่างไรก็ตามความเค้นและความเครียดนั้นมีหลายองค์ประกอบ ค่าคงที่ของการแปรผันนั้นจะไม่ใช่แค่ตัวเลขตัวเดียว แต่เป็นปริมาณเทนเซอน์สามารถแสดงได้ด้วยเมทริกซ์ โดยทั่วไปกฎของฮุกสามารถใช้ในการหาความสัมพันธ์ระหว่างความเค้นและความเครียดได้ ตัวอย่างเช่น แท่งยาวที่มีขนาดพื่นที่หน้าตัดคงที่นั้นจะประพฤติตัวเหมือนสปริงที่มีค่าคงที่ $k$ แปรผันตรงกับพื้นที่หน้าตัดและแปรผกผันกับความยาวของมัน

นิยาม

พิจารณาสปริงที่ยึดติดกับกำแพงไว้ด้านหนึ่ง ส่วนอีกด้านหนึ่งถูกดึงด้วยแรงขนาด $F$ เมื่อถึงภาวะสมดุลสปริงจะไม่เปลี่ยนขนาดอีกต่อไป ถ้าที่จุดนี้สปริงจะยืดจากความยาวธรรมชาติของสปริง (เมื่อไม่ถูกยืด) ไปเป็นระยะทาง $x$ กฎของฮุกกล่าวว่า

$F=kx$

หรือ

$x={\frac {F}{k}}$

โดย $k$ คือจำนวนจริงที่เป็นค่าคงที่เฉพาะตัวของสปริงนั้น ๆ ซึ่งสมการนี่ยังสามารถใช้ในกรณีที่สปริงถูกหดอีกด้วย โดย $F$ และ $x$ นั้นมีค่าติดลบ จากสมการนี้เราสามารถแสดงได้ว่ากราฟระหว่างแรงและระยะยืดจะเป็นเส้นตรงที่ผ่านจุดกำเนิดและมีความชัน $k$

ในกฎของฮุกนั้น เรามักจะเรียก $F_{s}$ ว่าเป็นแรงดึงกลับของสปริงที่ทำเพื่อต้านการดึง ในกรณีนี้เราสามารถเขียนสมการ

$F_{s}=-kx$

เพราะทิศทางของแรงดึงกลับของสปริงนั้นจะตรงข้ามกับระยะทางเสมอ

หน่วยในการวัด

ในหน่วย SI ระยะทางมีหน่วยเป็นเมตร (m) และแรงมีหน่วยเป็นนิวตัน(N หรือ kg·m/s²) ดังนั้นค่าคงที่ของสปริง $k$ จึงมีหน่วยเป็นนิวตันต่อเมตร (N/m), หรือ กิโลกรัมต่อวินาทีกำลังสอง (kg/s²)

ที่มาของสูตร

ความเค้นของแท่งยาวสม่ำเสมอ

แท่งวัสดุยืดหยุ่นนั้นสามารถมองว่าเป็นสปริงได้ สำหรับแท่งยาว $L$ และพื้นที่หน้าตัด $A$ ความเค้น $\sigma$ นั้นจะแปรผันตรงกับความเครียด $\epsilon$ โดยมีมอดูลัสของยัง $E$ เป็นค่าคงที่ของการแปรผัน{\displaystyle \sigma =E\varepsilon }.

\sigma =E\varepsilon

ซึ่งมอดูลัสของยังนั้นสามารถมองว่าเป็นค่าคงที่ได้ ความเครียด

\varepsilon ={\frac {\Delta L}{L}}

(ซึ่งเท่ากับอัตราส่วนของความยาวที่เปลี่ยนไป) และความเค้น

\sigma ={\frac {F}{A}}

จึงได้ว่า

\varepsilon ={\frac {\sigma }{E}}={\frac {F}{AE}}

และความยาวที่เปลี่ยนไปสามารถเขียนได้เป็น

\Delta L=\varepsilon L={\frac {FL}{AE}}

ซึ่งตรงกับกฎของฮุก

F=\varepsilon L={\frac {AE}{L}}\Delta L=k\Delta L

พลังงานของสปริง

พลังงานศํกย์ที่สะสมในสปริง $U el (x)$ มีค่าเท่ากับ

U_{\mathrm {el} }(x)=\int Fdx=\int kxdx={\tfrac {1}{2}}kx^{2}

โดยที่

$kx=F\ at\ x$

ซึ่งมาจากการค่อย ๆเพิ่มพลังงานที่ได้จากการหดสปริงทีละเล็กทีละน้อย ซึ่งทำได้โดยอินทิเกรตแรง(F) เทียบกับระยะทาง(x) พลังงานศักย์สปริงมีค่าเป็นบวกเสมอเพราะแรงภายนอกที่ต้องใช้ในการดึงสปริงนั้นมีทิศเดียวกับการกระจัดของสปริง

การสั่นแบบฮาร์มอนิก

มวลแขวนบนสปริงเป็นตัวยอย่างของการเคลื่อนที่แบบฮาร์มอนิกอย่างง่าย

มวลแขวนกับสปริงเป็นตัวอย่างคลาสสิกของการเคลื่อนที่แบบฮาร์มอนิกอย่างง่าย เมื่อมวลถูกดึงแล้วปล่อยระบบจะสั่นไปมารอบ ๆจุดสมดุล ถ้าเราสมมุติว่าไม่มีแรงเสียดทานและมวลของสปริง แอมพลิจูดของการสั่นจะคงที่ และความถี่ในการสั่นจะไม่ขึ้นกับแอมพลิจูดแต่จะขึ้นกับเพียงแค่ค่าคงที่ของสปริงและมวล: