¿Cómo es energía potencial realmente almacenada en un resorte de acero a nivel atómico?

Question

La elasticidad es uno de los más interesantes fenómenos, wiki da un resumen de la explicación de lo que sucede en un muelle de acero:

la atómica de celosía cambios de tamaño y forma cuando se aplican fuerzas (se añade energía al sistema). Cuando las fuerzas se retiran, el entramado vuelve a la original de estado de energía inferior.

Podría usted explicar en detalle cómo la energía potencial se almacena en un muelle de acero y por qué el material nunca se rinde a las fuerzas de flexión de tomar una nueva forma?

Actualización: sería interesante si alguien puede agregar algunos detalles técnicos:

• es la cantidad de energía transformada en calor durante la compresión de $H_C$ igual a la que perdió durante el lanzamiento $H_R$
• es la pérdida de calor durante las dos fases debido a exactamente las mismas causas, el proceso de
• ¿cómo minimizar la pérdida de calor, un factor que sin duda es la masa, ¿cuál es el valor máximo de la relación entre la energía que se gasta en la compresión y la energía recuperada ($c, \gamma$)? He leído que puede ser: $E_R/E > 0.99$
• lo que determina la relación entre la energía recuperada y la velocidad de recuperación (CR)
• ¿cuál es el max CR logrados hasta la fecha en la primavera, y con qué material
• la elección del material adecuado, puede que la velocidad de relajación cada vez aumentan con la deflexión de tal manera como para permitir las colisiones elásticas

Answer 1

Se están planteando dos preguntas realmente

1)

Cómo es PE realidad almacenada en un resorte de acero a nivel atómico?

La explicación de esto radica en la mecánica cuántica

2)

Podría usted explicar en detalle cómo/donde la energía potencial se almacena en un muelle de acero y por qué el material nunca se rinde a las fuerzas de flexión de tomar una nueva forma?

Responder 1) uno tiene que pensar en mecánica cuántica. Todos los sólidos en forma de celosías. Estas rejillas se forman porque a pesar de que los átomos y moléculas individuales son neutrales, no son eléctricos derrame sobre los campos debido al hecho de que los orbitales de los electrones no son esféricas, excepto para l=0 el momento angular de los estados, sino que tienen formas. Uno puede pensar en ellos como LEGO formas que se ajustan, positivos a negativos derrame de más de fuerzas, la formación de la nueva mecánica cuántica soluciones a un nivel de energía más bajo, la liberación de energía en suave fotones en el proceso ( que es la razón por la precipitación de las emisiones de energía/calor con el ambiente). Así, el entramado se equilibra a un menor mecánica cuántica nivel que el de la libre átomos/moléculas de sí mismos.

La función de estado de la celosía es un colectivo de todas las moléculas/átomos que la componen, y actúa como un mayor nivel de "partícula", responde colectivamente mecánica cuántica tan largo como el de las energías interactúa con están dentro de los niveles de energía del estado colectivo. Hay que recordar que en mecánica cuántica soluciones de los más bajos niveles de energía están llenos, pero las más altas, existen y están disponibles si la energía es suministrada.

¿Qué pasa si una fuerza externa se impone en el entramado? El colectivo función de estado, la solución de la mecánica cuántica estado de la red, mediante la absorción de suave fotones colectivamente, se mueve a una mayor energía reticular nivel. Cuando la presión se quita, se gira de nuevo a su nivel de energía más bajo por la liberación suave de fotones. Estos son no destructivas deformaciones. Si la energía es demasiado alta, el entramado de los bonos será roto y el enrejado de soluciones dejará de ser válida.

Elasticidad significa que algunos materiales tienen suficiente los niveles de energía a la red para ser capaz de ser deformado y caer de nuevo a tierra estado sin ser destruidos. La energía se almacena en el nivel de energía más alto alcanzado por la interacción "celosía forrce". De modo que el resorte de acero de celosía en el nivel atómico se encuentra en un nivel de energía más alto . Evidentemente rejillas de acero que puede tomar un montón de deformación así que debe tener muchos más altos que el estado del suelo de las energías.

Ahora para la segunda pregunta, los modelos son modelos de continuo con los parámetros que dependen de la mecánica cuántica marco subyacente pero son emergentes, de los muchos problema de los tres cuerpos. Este parece ser todavía un problema de investigación, ya que tiene que ver con materiales útiles para la industria y la vida en general. Se proponen modelos que utilizan la primavera de modelado de la otra respuesta a the entramado de nivel, evitando la mecánica cuántica complicaciones por aproximaciones.

En una red de primavera (modelo de LSM), el material es discretised en partículas vinculado por los resortes. Sin embargo, LSMs siempre adoptar lineales de muelles, que se traduce en rigidez de la aproximación de la correspondiente elástica solución. En este trabajo, un alto orden de LSM se propone para superar esta limitación mediante la introducción de grados adicionales de libertades (DOFs) a las partículas.

En este caso el interno de la mecánica cuántica dinámica son aproximados por los resortes.

Answer 2

En primer lugar, usted puede deformar el material de forma permanente..la primavera no es la excepción. En el nivel atómico, que están trabajando en contra de Coulomb fuerzas que unen el material id est, que forman la celosía. Una célula primitiva está bien definida por las condiciones de un mínimo de energía. Se puede describir este potencial como una ecuación cuadrática, por lo que obtener armónico de las fuerzas, pero no es realmente cuadrática, por supuesto. En la aproximación, se obtiene Ganchos de la ley. Es una buena aprox. para pequeños desplazamientos, pero cuando se hacen grandes deformaciones, entras en una zona no lineal en vigor o no-cuadrática de la zona en términos de energía/trabajo realizado para el desplazamiento. La primavera es la auto tiene una interesante estructura geométrica que hace más susceptibles a las fuerzas de modo que puede ser tan fuerte como usted quiere que sea. Un palo de metal va a vibrar en la misma, sino de la moda es tan rígido que no se puede ver fácilmente estas vibraciones con pequeñas fuerzas aplicadas. Fuerza de restauración es de Coulomb la fuerza, con la atracción y repulsión de fuerzas balanceadas para formar buenos potencial mínimo.

Answer 3

Lo que se observa como la mecánica de la deformación de un resorte de acero es un desplazamiento (movimiento) de los átomos que constituyen la primavera. En los lugares, los átomos que será un poco más cerca de sus vecinos (compresión) y en algunos otros lugares, en realidad más aparte (tensión). La combinación de la compresión en un lado y de compresión en el otro lado de una viga o de un alambre que hace que se curva hacia el lado de compresión. Un alambre en espiral es la más estereotipada tipo de la primavera, pero todas las formas de resortes implicará algún tipo de compresión o de tensión y por lo general ambos.

El (quantum) química de sus átomos determina la habitual separación entre los átomos. En los metales, que por lo general crea un altamente red regular, un cristal, pero no un monocristal: Usted tiene muchos campos cristalinos, inidividual cristalíferas rayana en cada uno de los otros. Cuando las fuerzas se vuelven demasiado grandes, estos cristalíferas puede aumentar o disminuir a lo largo de su frontera, y que se puede deslizar uno contra el otro. Esta es la causa de deformaciones y otros cambios (en especial el trabajo de endurecimiento y fragilidad).

Su "técnica" los detalles son buenas preguntas para confirmar la comprensión del tema! Permítanme tratar de abordar en orden, pero reformulado:

1. Es la energía transformada en calor durante la compresión de $H_c$ exactamente igual a la mecánica la energía perdida (el bit de la resistencia a la compresión de la energía no recuperado en el momento de su lanzamiento)?

   Tu suposición es casi cierto. La energía perdida se pierde porque es disipada (se convierte en calor). Pero es algo teóricamente) es posible que algunos de los de calor temporalmente generados durante la compresión se obtiene adiabático convierte de nuevo en un movimiento mecánico. Esto se produce por el movimiento rápido en no demasiado pequeñas escalas de longitud (para la velocidad). Es importante para los detalles tales como el espectro de la térmicamente conducido, sub-microscópico de las fluctuaciones de las superficies de metal (sí, no es el movimiento Browniano en todas partes).

2. Es la pérdida de calor durante la compresión y la tensión debido a exactamente los mismos procesos?

   Básicamente, sí. Básicamente introducir un signo de menos en casi todas partes. Por ejemplo, el cambio de temperatura adiabático (compresión calienta las cosas, la expansión se enfría cosas) hace que la conducción térmica a ir a otro lado, pero de lo contrario se disipan en la misma forma debido a que la mayoría de las cosas que la materia tiende a ser lineal en el cambio de temperatura y por lo tanto mucho de la misma. Obviamente hay excepciones de menor importancia: A la dirección de otro cuantitativamente más bien poco importantes ejemplo, la disipación térmica de la radiación no es bastante simétrica: Cuando se comprime y por lo tanto el calor, que aumenta más de lo que disminuye por la misma tensión y, por consiguiente enfriamiento. Quizás más relevante (pero más fuera de mi experiencia personal), probablemente hay otros mecanismos de calentamiento, tales como el calor liberado o absorbido en los cambios de los cristales de dominios, que podría romper la simetría entre la compresión y la tensión.

3. ¿Cómo minimizar la pérdida de energía mecánica al ciclismo un resorte?

   El uso de (la primavera) de acero es un buen comienzo; especialmente por muy rápido que se ciclismo (creo bolas de acero rebotando en cada uno de los otros), tiene un muy alto coeficiente de restitución. Usted puede hacer órdenes de magnitud mejor mediante el uso de ciertos cristales o vidrios (sílice fundida, cuarzo crytsalls, zafiro, silicio cristalíferas puede llegar a 0,01 partes por millón pérdida cuando se opera en un vacío). Pero hay un montón de muy unconvenient efectos especialmente en las superficies y puntos de contacto. Los cristales de cuarzo de los relojes, pequeños tenedores, tienen Q factores (la inversa de la fracción de la pérdida de energía por ciclo) se limita a alrededor de diez mil, a pesar de que viene en un empaque al vacío, debido a pérdidas en la mecánica de los puntos de montaje y contactos eléctricos. Si usted abre su vacío paquete, usted corre el riesgo de reducir el factor Q en un orden de magnitud, simplemente debido a la fricción del aire y la contaminación de la superficie. Debo mencionar siquiera que las gafas y (no metálicos) los cristales tienden a tener ciertas desventajas, tales como la de ser extremadamente frágil?

4. Lo que determina la relación entre la energía recuperada y la energía cinética (el cuadrado de la velocidad, normalizado por la primavera de la masa efectiva para este propósito) en el que la descarga de la primavera de finales de rebotes?

   La respuesta corta es que esta relación es de uno. Por favor, disculpe, para simplificar la cuestión, empujando los bits que actúa como masa efectiva de la primavera del final (toda la masa ponderada por cuánto se contribuye a la energía cinética total) en la pregunta. La geometría y la composición de su primavera determina. Es fácil de calcular, en principio, y por lo tanto no es muy esclarecedor considerar en detalle.

   Es muy útil considerar el proceso como repetir cíclicamente. Entonces usted tiene una oscilación de la misma frecuencia de todas las cantidades, y las relaciones entre sus amplitudes tienen nombres especiales. Por ejemplo, la relación entre la velocidad y la fuerza se llama el (mecánica) de la impedancia. Un ingeniero puede más natural que la base de una respuesta en este impedancia de mi personal (pero correcta) concepto de una masa efectiva para su propósito.

5. ¿Cuál es el máximo coeficiente de restitución?

   No sé, y no voy a aceptar cualquier valor ya que simplemente depende de lo que se acepta como un resorte. Si usted considera que la "restitución" de la sub-microscópico hendiduras de sólidos de cuarzo o sílice fundida de la prueba de masas para los detectores de ondas gravitacionales, la pérdida de energía por energía de deformación puede ser menos de 0,01 partes por millón.

6. Puede no ser esencialmente ellastic colisiones?

   Sí. El uso de bolas de acero para su comportamiento elástico.

Answer 4

http://en.m.wikipedia.org/wiki/File:HookesLawForSpring-English.png. Creo que esto es también debido a la constante de resorte es creo que es la diferencia entre la primavera cuando se está en espiral donde se almacena la energía o la energía potencial y no creo tengan afectados los átomos

Answer 5

horizontal resorte ejerce una fuerza de $F = (−kx, 0, 0)$ que es proporcional a la deflexión en el $x$ dirección. El trabajo de esta primavera en un cuerpo moviéndose en el espacio de la curva de $s(t) = (x(t), y(t), z(t))$, se calcula usando su velocidad, $v = (vx, vy, vz)$, para obtener

$$W=\int_0^t\mathbf{F}\cdot\mathbf{v}\mathrm\,{d}t =-\int_0^t kx v_x \mathrm\,{d}t = -\frac{1}{2}kx^2$$

Para su comodidad, considere la posibilidad de contacto con la primavera se produce en $t = 0$, entonces la integral del producto de la distancia x y el x-velocidad, xvx, es $x_2/2$.

La función

$$U(x) = \frac{1}{2}kx^2,$$

se llama energía potencial de un resorte lineal.

La energía potencial elástica es la energía potencial de un elástico objeto (por ejemplo un arco o una catapulta) que se deforma bajo tensión o de compresión (o estresado en el sector formal de la terminología). Surge como consecuencia de una fuerza que intenta restaurar el objeto a su forma original, que es más a menudo la fuerza electromagnética entre los átomos y las moléculas que constituyen el objeto. Si el tramo es liberado, la energía se transforma en energía cinética. Como lo que yo puedo decir, con base en General y en especial de la relatividad de einstein, la masa tiene una cierta cantidad de energía inherente a su existencia. esta energía se regula la cuestión de la tasa de flujo de tiempo. como el aumento de masa en la velocidad, la energía cinética se incrementa mientras que la tasa de tiempo se ralentiza. Así que yo creo que hasta que tengamos una mejor idea de cómo conceptualizar la materia/energía de la dualidad, la "energía potencial" debe ser re-define como "la tasa de tiempo de la energía".