درست است که فنرها در انواع مختلف طراحی و تولید میشوند؛ ولی اساس کارشان یکی است. بدین معنی که هر فنر جسمی الاستیک بوده که انرژی را ذخیره و آزاد میکند. حال نکته مهم اینکه برای طراحی فنرها به درک دقیق فیزیک فنرها نیاز است.
پس این سوال پیش میآید که اهمیت فیزیک برای طراحی فنرها در چیست؟ در جواب باید بگوییم زمانی که تولید کنندگان، فنر تولید میکنند باید دربارهی رفتار فنرها اطلاعات داشته باشند. به عنوان مثال: از فنرها در پزشکی برای بزرگ کردن رگهای خونی بهره میبرند. بدین صورت که اگر ثابت فنر خیلی بالا باشد، یا سیم خیلی نازک باشد، فنر میتواند باعث پارگی تهدید کننده زندگی شود.
اما در مقیاس بزرگتر، سیستمهای تعلیق خودرو با تکیه بر فنرهای بسیار دقیق، جذب شوک را بدون ایجاد بی ثباتی در سرعتهای بالا در خودرو فراهم میکنند. پس هر فنر در هر کارایی رفتاری متفاوت از خود نشان میدهد و اینکه تمام مشخصات طراحی فنر در تعیین کاربردهای مفید هر فنر نقش دارد.
ثابت فنر را بر اساس چه فاکتورهایی میتوان تعیین کرد؟
بهتر است قبل از اینکه به عوامل تاثیرگذار بر نیروی ثابت فنر بپردازیم، با قانون هوک (فیزیک فنرها، فراتر از ذخیره و آزاد سازی انرژی) آشنا شویم. رابرت هوک (نویسنده قانون هوک)، قانون خود را این چنین بیان کرده است؛ هرچه یک فنر را تغییر شکل دهید، نیروی بیشتری برای تغییر شکل بیشتر آن لازم است.
این فیزیکدان بریتانیایی اولین بار این قانون را در سال ۱۶۷۸ منتشر کرد، هرچند ادعا کرد که نزدیک به دو دهه از این قانون اطلاع داشته است. مجموعه اندازهگیری ثابت فنر بر اساس قانون هوک: F = kX. جایی که F نیرو است، k ثابت فنر است و X طول تغییر شکل است. برای آشنایی با نحوه تولید و ساخت قطعات صنعتی فلزی کلیک کنید.
ثابت فنر و عوامل موثر بر آن
ثابت فنر ضریبی است که با نیروی وارده بر فنر رابطه مستقیم دارد. یعنی دقیقاً مشخص میکند که چه مقدار نیرو برای تغییر شکل فنر، مورد نیاز خواهد بود. واحد اندازهگیری استاندارد ثابت فنر، نیوتن بر متر است. بنابراین ثابت فنر را میتوان بر اساس پارامترهای زیر تعیین کرد:
- قطر سیم: قطر سیم شامل فنر
- قطر سیمپیچ: قطر هر سیمپیچ، اندازهگیری سختی سیمپیچ
- طول آزاد: طول فنر هنگام استراحت
- تعداد سیمپیچ فعال: تعداد سیمپیچهایی که آزاد و منقبض میشوند.
- مواد تشکیل دهنده فنر نیز در کنار سایر خصوصیات فیزیکی فنر، در تعیین ثابت فنر نقش دارند.
عواملی که بر ثابت فنر تأثیر میگذارند
ثابت فنر، که با نماد k نشان داده میشود، مشخصکننده سختی یک فنر است. به عبارت دیگر، ثابت فنر بیان میکند که برای تغییر شکل یک فنر به اندازه مشخص، چه مقدار نیرو نیاز است. مقدار این ثابت به عوامل مختلفی بستگی دارد که در ادامه به آنها میپردازیم:
مشخصات هندسی فنر
- قطر سیم: هرچه قطر سیم سازنده فنر بیشتر باشد، فنر سفتتر و ثابت فنر آن بزرگتر خواهد بود.
- قطر سیمپیچ: با افزایش قطر سیمپیچ، فنر نرمتر شده و ثابت فنر آن کاهش مییابد.
- تعداد سیمپیچهای فعال: افزایش تعداد سیمپیچهای فعال باعث کاهش ثابت فنر میشود.
- طول آزاد فنر: طول آزاد فنر نیز بر ثابت فنر تأثیرگذار است. معمولاً با افزایش طول آزاد، ثابت فنر کاهش مییابد.
جنس ماده سازنده
- مدول یانگ: مدول یانگ یک ویژگی ذاتی ماده است که نشاندهنده سختی آن است. هرچه مدول یانگ ماده بیشتر باشد، فنر سفتتر و ثابت فنر آن بزرگتر خواهد بود. به عنوان مثال، فنرهای فولادی به دلیل مدول یانگ بالای فولاد، معمولاً ثابت فنر بالاتری نسبت به فنرهای برنجی دارند.
شکل فنر
- نوع فنر: شکل فنر نیز بر ثابت فنر تأثیر میگذارد. فنرهای کششی، فشاری، پیچشی و… هر یک ثابت فنر متفاوتی دارند.
- زاویه پیچش: در فنرهای پیچشی، زاویه پیچش بر ثابت فنر تأثیرگذار است.
نهایتا
با قانون هوک و اینکه چرا فیزیک در طراحی و تولید فنرها اهمیت دارد، آشنا شدیم. این را هم بدانید که میتوان با استفاده از تجهیزات پیشرفته سیمپیچ فنری AIM ،CNC، فنرهای نیروی ثابت را طوری طراحی کرد که بتوان نیروی فنر را ثابت نگه داشت و یا حتی ساخت. برای آشنایی با قطعات صنعتی و نقش آنها در انواع صنایع کلیک کنید.
یک پاسخ
مفید بود