Как работают пружины?

Если вы похожи на меня и любите разбирать вещи на части, то
пружины
— ваш враг. Попробуйте позже собрать гаджет или машину, и именно пружины часто вас побеждают: куда
они идут и как, черт возьми, они снова вставляются? В своей наиболее
привычной форме пружины — это закаленные металлические катушки, которые помогают вещам
возвращаться в определенное положение, но их также можно использовать для поглощения
энергии (как в подвеске автомобиля) или ее длительного хранения
(как в часах). Пружины можно найти во всем: от
автоматических дверей до шариковых ручек. Давайте подробнее рассмотрим, как
они работают!

Фото: Тугие пружины из нержавеющей стали на настольной лампе. Все пружины имеют одинаковую базовую спиральную форму, но бывают разных размеров: от крошечных, которые можно найти в шариковых ручках, до огромных, которые оборачивают амортизаторы на автомобилях.

Что такое пружина?

Фото: Сделайте бумажную пружину, нарисовав спираль на бумаге или картоне. Затем просто обрежьте линию ножницами. Вы удивитесь, насколько пружинистая эта пружина!

Типичная пружина — это плотно навитая катушка или спираль из металла, которая
растягивается, когда вы ее тянете (прикладываете силу), и возвращается к своей
первоначальной форме, когда вы ее отпускаете (убираете силу). Другими
словами, пружина эластична. Я не имею в виду, что она сделана из резины;
я имею в виду, что она эластична :
она становится длиннее при приложении нагрузки, но (при условии, что
вы не растягиваете ее слишком сильно) возвращается точно к своей первоначальной длине,
когда эта нагрузка снимается. В зависимости от того, как сделана пружина, она
может работать и наоборот: если вы ее сжимаете, она сжимается
, но возвращается к своей первоначальной длине, когда толкающая сила снимается.

Вы можете сделать пружину из чего угодно — даже
из бумаги или апельсиновой корки! — но те виды пружин, которые мы используем в машинах,
работают эффективно, только если они достаточно жесткие, чтобы противостоять тяговому усилию, и
достаточно прочные, чтобы их можно было растягивать много раз без поломки. Обычно это
означает, что они должны быть сделаны из таких материалов, как
нержавеющая сталь или прочные сплавы, такие как бронза.
Некоторые сплавы обладают свойством, называемым памятью формы, что означает, что они от природы
пружинистые. Оправы для очков часто изготавливаются из никель-
титанового сплава с памятью формы, называемого нитинол, который
продается под такими торговыми марками, как Flexon®.

Как работает пружина?

Представьте, что у вас есть кусок прямой стальной проволоки
длиной около 10 см (4 дюйма) — что-то вроде длинной скрепки, которую вы развернули. Если вы потянете ее
пальцами, ее будет крайне трудно растянуть. Оберните ее
вокруг карандаша, и, приложив немного усилий, вы сможете сделать себе небольшую, но прекрасно
работающую пружину. Теперь потяните или толкните ее пальцами, и вы обнаружите,
что можете растягивать и сжимать ее довольно легко.

Фото: Простую пружину легко сделать из канцелярской скрепки.

Почему этот некогда упрямый кусок металла вдруг стал таким послушным? Почему
пружину так легко растянуть и сжать, когда тот же кусок
металла в виде проволоки изначально так неохотно менял форму?

Когда материал находится в своей первоначальной форме, его растяжение
подразумевает вытягивание атомов из их положения в кристаллической решетке металла
— и это относительно сложно сделать. Когда вы делаете пружину (как
вы обнаружите, если попробуете согнуть скрепку), вам нужно
немного поработать, чтобы согнуть металл в нужную форму, но это далеко не так сложно.
Когда вы сгибаете проволоку, вы используете энергию в этом процессе, и часть этой энергии сохраняется в
пружине; другими словами, она предварительно напряжена. После того, как пружина сформирована, ее форму легко немного изменить
: чем больше витков металла у пружины, тем легче
ее растянуть или сжать. Вам нужно всего лишь сместить каждый атом в
спиральной пружине на небольшую величину, и вся пружина может растянуться или
сжаться на удивительную величину.

Фото: Попробуйте согнуть пружину, изменив ее форму, и вы почувствуете, какую
силу нужно приложить, чтобы удержать ее в таком положении. Для деформации пружины (изменения ее формы) требуется энергия: эта энергия сохраняется
в пружине, и вы можете использовать ее снова позже.

Пружины отлично подходят для хранения или поглощения энергии. Когда вы используете
толкающую или тянущую силу, чтобы растянуть пружину, вы используете
силу на расстоянии, поэтому, говоря физическим языком, вы выполняете работу и
используете энергию. Чем плотнее пружина, тем сложнее ее деформировать, тем
больше работы вам нужно сделать и тем больше энергии вам нужно. Энергия, которую
вы используете, не теряется: большая ее часть хранится в виде потенциальной энергии в
пружине. Отпустите растянутую пружину, и вы сможете использовать ее для выполнения работы за
вас. Когда вы заводите механические часы, вы сохраняете энергию,
затягивая пружину. По мере того, как пружина ослабевает, энергия медленно
высвобождается, чтобы приводить в действие шестерни внутри и поворачивать стрелки по
циферблату в течение дня или больше. Катапульты и арбалеты работают
аналогичным образом, за исключением того, что они используют витки эластичной ткани для своих пружин
вместо катушек и спиралей из металла.

«Подсел» на пружины

Произведение искусства: Обложка книги Роберта Гука 1678 года «Лекции о восстановительной силе, или о пружине, объясняющие силу пружинящих тел».

Чем больше вы растягиваете пружину, тем длиннее она становится, тем больше работы вы совершаете и тем больше энергии она накапливает.

Если растянуть обычную пружину вдвое сильнее (с удвоенной силой), она растянется вдвое больше, но только
до определенного момента, который называется пределом упругости.

В физике это простое описание упругости (того, как вещи
растягиваются) известно как закон Гука по имени открывшего его человека — английского ученого
Роберта Гука (1635–1703).

Закон Гука

Вот график, который показывает вам закон Гука в действии. Вы можете видеть, что чем большую «нагрузку» вы прикладываете к пружине (чем большую силу вы используете, показано на вертикальной оси), тем больше пружина «растягивается» (показано на горизонтальной оси). Закон Гука гласит, что удлинение (растяжение) пропорционально нагрузке, поэтому нижняя (красная) часть графика представляет собой прямую линию. В этой области пружина эластична: она возвращается к своему
первоначальному размеру, когда вы ее отпускаете.

Однако вы можете видеть, что на графике есть еще кое-что. Если вы продолжите растягивать за пределы синей точки
(предела упругости), вы растянете пружину так сильно, что она не вернется к своей первоначальной длине. В этой
части графика (показанной желтым и красным) даже небольшое количество дополнительной силы может заставить пружину сильно растянуться
— это почти как лакрица или жевательная резинка. В этой области пружина больше не эластична, а
«пластична» (она постоянно деформируется).

Больше Гука

Гук был блестящим энциклопедистом: помимо закона упругости, который он
открыл в 1660 году и опубликовал в 1678 году, он наиболее известен как один из главных пионеров микроскопии, но он активно работал во многих других областях — от архитектуры и астрономии до изучения памяти и ископаемых.

Типы пружин

На фото: Листовые рессоры обеспечивают грубую подвеску этого старого железнодорожного грузовика.

Вы можете подумать, что пружина — это пружина, но вы ошибаетесь
! Существует несколько совершенно разных видов. Самые известные
из них — это спиральные пружины (например, те, что вы найдете в ручках, и
та, которую мы сделали выше из скрепки): цилиндры из проволоки, обернутые
вокруг окружности фиксированного радиуса. Спиральные
пружины похожи, но спираль постепенно становится меньше по мере приближения
к центру; наша бумажная пружина — пример. Тонкая волосковая пружина, которая помогает сохранять время в
часах, — еще один пример такой пружины. Торсионные пружины работают как
резинка в катапульте или эластичная лента, многократно скрученная между пальцами: настоящие пружины
сделаны из жестких кусков металла, которые скручиваются вокруг своей оси. Листовые пружины — это стопки изогнутых металлических стержней
, которые поддерживают колеса автомобиля или железнодорожного вагона и изгибаются вверх и
вниз, чтобы сгладить неровности и неровности.

Пружины также различаются по способу сопротивления силам или накопления энергии. Некоторые из них предназначены для поглощения энергии и силы, когда вы их сжимаете; их витки сначала слегка растягиваются и сжимаются вместе,
когда вы прикладываете силу, поэтому их называют пружинами сжатия .
Противоположное происходит с пружинами растяжения (иногда называемыми пружинами растяжения): они сначала
сжимаются и сопротивляются силам, которые пытаются их растянуть.
Торсионные пружины имеют горизонтальные стержни на двух концах, поэтому они могут противостоять чему-либо скручивающему
или вращающемуся.

Анимация: Пружины сжатия предназначены для поглощения сил путем сжатия друг с другом. Пружины растяжения работают наоборот, растягиваясь, когда вы прикладываете силу. Торсионные пружины имеют параллельные стержни на конце, которые останавливают что-либо от вращения (или возвращают его в исходное положение, если оно вращается).

Иногда вам нужна пружина, которая будет расширяться и сжиматься на большее расстояние, не теряя своей формы; спиральные пружины идеально подходят для этой работы. Это жесткие, прочные пружины сжатия, сделанные из более плоских листов металла, которые складываются гармошкой друг за другом. Например, в этих садовых секаторах пружина позволяет «ножкам» открываться на значительное расстояние и снова плотно закрываться. Если бы мы использовали здесь обычную пружину, она, вероятно, деформировалась бы, когда мы открывали и закрывали ножки, и они не смогли бы открыться так далеко.

Фото: Спиральные пружины — это прочные пружины сжатия, которые расширяются и сжимаются на большом расстоянии, сохраняя при этом свою форму.

Не все пружины работают, растягивая и сжимая куски металла, пластика или другого
твердого материала. Совершенно иная конструкция предполагает использование поршня, который движется вперед
и назад в цилиндре с жидкостью (газом, жидкостью или иногда и тем, и другим), немного похоже на велосипедный насос, который
очень трудно вдавливать и выдавливать. Подробнее об этом читайте в нашей статье о
газовых пружинах.

Для чего используются пружины?

Фото: Главная пружина заводной игрушки.
Когда вы заводите игрушку, вы сжимаете пружину в гораздо более тесное пространство, чтобы сохранить энергию, которая
высвобождается, когда игрушка начинает двигаться.

Откройте шариковую ручку (одну из тех, у которой есть кнопка, нажимая которую, вы
втягиваете шарик), и вы найдете внутри пружину. Загляните под
машину, и там тоже есть пружины, помогающие амортизаторам сглаживать
неровности дороги. Пружины есть в часах и
настенных часах, как мы уже видели. И есть пружина в
спидометре автомобиля (по крайней мере, в одном из старомодных механических).
Как только вы начнете замечать пружины, вы обнаружите, что можете видеть пружины
повсюду!

Из каких материалов изготавливаются пружины?

Фото: Когда пружина не является пружиной? Многим повседневным вещам нужна «пружина», даже если они не являются пружинами. Например, пластиковый зажим для лацкана этой перьевой ручки сконструирован так, чтобы сгибаться (в определенной степени), чтобы она прочно держалась в кармане. Это не пружина как таковая, но она была тщательно спроектирована точно таким же образом.

Пружины обычно изготавливаются из пружинных сталей , которые представляют собой сплавы на основе
железа с
небольшим количеством углерода (около 0,6–0,7 процента), кремния (0,2–0,8 процента), марганца (0,6–1 процент) и
хрома (0,5–0,8 процента). Точный состав пружинной стали зависит от свойств, которые вы хотите, чтобы она имела, которые будут включать нагрузки,
которые она должна выдерживать, сколько циклов напряжений и деформаций она будет подвергаться, температуры, при которых она должна работать,
должна ли она выдерживать тепло или коррозию, насколько хорошо она должна проводить электричество, насколько «пластичной» (легко поддающейся формовке) она должна быть во время своего первоначального изготовления и формования и т. д. Обычно пружины изготавливаются из сталей со средним или высоким содержанием углерода (это означает небольшое количество углерода в общей смеси, но больше, чем вы найдете в других видах стали). Обычно их подвергают той или иной форме термической обработки, например, закалке, чтобы они стали прочными и могли выдерживать множество циклов напряжений и деформаций — иными словами,
чтобы их можно было растягивать или сжимать много раз, не ломаясь.

Пружины обычно выходят из строя из-за усталости металла , что означает, что они внезапно трескаются после многократного перемещения вперед и назад. На микроскопическом уровне ни одна пружина не является по-настоящему эластичной: каждый раз, когда она проходит через цикл растяжения (растяжение или сжатие, а затем возвращение к своему первоначальному размеру), ее внутренняя структура изменяется очень незначительно, и внутри нее могут образовываться и расти крошечные «микротрещины». В какой-то момент в будущем она определенно выйдет из строя: пружина сломается, когда трещина станет достаточно большой. Материаловедение учит нас, что то, как изготавливаются пружины, имеет огромное значение для их долговечности. Например, если вы не используете правильную температуру закалки при изготовлении стали, вы получите более слабую сталь — и более слабую пружину, которая, скорее всего, выйдет из строя быстрее.

Не хотите читать наши статьи? Попробуйте вместо этого послушать

Если вы предпочитаете слушать наши статьи, а не читать их, подпишитесь на наш новый подкаст
на Apple Podcasts,
Spotify,
Amazon,
Podchaser
или в вашем любимом приложении для подкастов или слушайте ниже:

Узнать больше

На этом сайте

• Часовые механизмы
• Пластики, поглощающие энергию
• Инженерное дело
• Газовые пружины
• Гидравлика
• Материалы с эффектом памяти формы

Книги

Для юных читателей

• Изготовление машин с пружинами Криса Окслейда. Raintree, 2015. 32-страничное практическое введение для 2–4 классов, возраст 7–9 лет.
• Магниты и пружины Кэрол Баллард. Hachette, 2014. 32-страничное руководство (классы 2–4, возраст 7–9 лет). Вы можете задаться вопросом, почему магниты и пружины рассматриваются вместе; просто так получается, что некоторые учебные программы по естественным наукам преподают именно так.
• Springs Анджелы Ройстон. Heinemann/Raintree, 2003. Для младших читателей (2–4 классы, возраст 7–9 лет).

Для читателей старшего возраста

• Materials for Springs, Y. Yamada. Springer, 2007. Описывает качества, необходимые для различных типов пружин, а также различные металлы, сплавы и другие материалы (пластики, композиты, керамика и т. д.), используемые для их изготовления. Для профессиональных инженеров и студентов инженерных вузов.
• Выбор материалов в машиностроении Майкла Ф. Эшби. Butterworth-Heinemann, 2016. Хорошее введение в идею использования материаловедения в машиностроении.

Патенты

• Патент США 3,468,527: Спиральная пружина Гленна Мазера, North American Rockwell/Boeing, 1968. Интересный технический взгляд на то, как проектируются спиральные пружины.
• Патент США 3,062,526: Подвеска транспортного средства на листовых рессорах, автор Джон А. Рериг, 1962 г. Типичная подвеска на листовых рессорах, которая автоматически подстраивается под вес транспортного средства.
• Патент США 3,468,527: Пружинный барабан для часов, автор А. Н. Готье, 1894 г. Описывает механизм накопления энергии в виде спиральной часовой пружины.