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Es la constante del muelle $k$ cambian cuando se divide un muelle en partes?

Siempre me han enseñado que la constante del resorte $k$ es un constante - es decir, para un resorte determinado, $k$ será siempre la misma, independientemente de lo que se haga con el muelle.

El profesor de física de mi amigo dio un problema práctico en el que un muelle de longitud $L$ se cortó en cuatro partes de longitud $L/4$ . Afirmó que la constante del resorte en cada uno de los nuevos resortes cortados del resorte antiguo ( $k_\text{new}$ ) era, por tanto, igual a $k_\text{orig}/4$ .

¿Es esto cierto? Todas las personas a las que he preguntado parecen pensar que esto es falso, y que $k$ será el mismo incluso si se corta el muelle en partes. ¿Hay una buena explicación de si $k$ ¿será igual después de cortar el muelle o no? Parece que si es una propiedad inherente al muelle no debería cambiar, y si lo hace, ¿por qué?

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Michael Puntos 161

En primer lugar, constante del muelle $k$ no es una propiedad inherente a la primavera. La constante del muelle cambia para cada pieza cortada del muelle original Para entender qué es exactamente la constante del muelle (también llamada rigidez) $k$ es y cómo varía, tenemos que entender de qué parámetros depende realmente la constante del muelle. La constante de muelle o rigidez de un muelle en espiral viene dada por $$\boxed{k=\frac{\pi Gd^4}{64R^3n}}$$

Dónde, $G$ es el módulo de rigidez del material del muelle

$d$ es el diámetro del alambre del muelle

$R$ es el radio medio de la bobina &

$n$ es el número efectivo de espiras en el muelle, que es directamente proporcional a la longitud del muelle en espiral, es decir $n\propto L$

De la fórmula básica anterior se puede concluir que la constante del muelle $k$ depende de varios parámetros y es una constante sólo para un material determinado $G$ y diámetro $d$ del alambre del muelle, radio medio de la bobina del muelle $R$ & número efectivo de vueltas $n$ es decir, la longitud del muelle $L$ .

La fórmula anterior muestra simplemente que si los otros parámetros ( $G, d$ & $R$ ) se mantienen constantes, entonces
$$k\propto \frac 1n\iff k\propto \frac1L$$ Ahora, qué ocurre cuando se corta un muelle en trozos ?

La propiedad del material de los muelles $G$ radio medio de la bobina del muelle $R$ y diámetro del cable $d$ permanecen constantes para todas las piezas del muelle, excepto el número de espiras o vueltas $n$ o la longitud $L$ disminuye, por lo que la constante del muelle (rigidez) $k$ aumenta para cada pieza.

Por lo tanto, cuando un muelle de rigidez $k_{orig}$ y longitud $L$ se corta en cuatro trozos de longitud cada uno $L/4$ constante de resorte de cada pieza nueva $k_{new}$ es igual a $4k_{orig}$

De ahí el reclamo: $k_{new}=k_{orig}/4$ es falso.

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