Когда к пружине (или любому эластичному материалу) прикладывается сжимающая или растягиваемая нагрузка, нагрузка воздействует на пружину, заставляя пружину изменять форму (растягиваться или сжиматься). Это изменение формы создает тип потенциальной энергии, называемый энергия деформации — в материале.

Типичный пружины сжатия испытывайте как сдвиг, так и кручение стрессыи накапливать энергию деформации от обоих напряжений. Волновые пружины Однако они испытывают только напряжение сдвига (без кручения) и, следовательно, обладают меньшей энергией деформации, что означает, что они могут прилагать более высокие усилия — или выдерживать более высокие нагрузки — по сравнению со стандартными пружинами сжатия.

Напряжение — это приложенная нагрузка на материал, деленная на площадь поперечного сечения материала. Напряжение заставляет материал изменять свою форму, а деформация — это деформация, возникающая из-за напряжения.

Материалы, которые следуют далее Закон Гука — к которым относится большинство пружин сжатия и волновых пружин — испытывают прогиб или смещение пропорционально приложенному усилию.

F = приложенное усилие (N)

k = постоянная пружины (Н/м)

δ = отклонение (м)

Волновые пружины имеют относительно линейные постоянные упругости и обеспечивают постоянное усилие в диапазоне отклонений (или, наоборот, предсказуемое отклонение в диапазоне усилий).

Поведение пружины часто изображается на диаграмме зависимости усилия от отклонения, которая показывает величину отклонения, испытываемого пружиной при различных усилиях. Наклон кривой зависимости усилия от отклонения представляет собой постоянную пружины, а площадь под кривой равна работе, проделанной нагрузкой для смещения пружины. Эта работа — усилие, приложенное на расстояние, — представляет собой потенциальную энергию (энергию деформации), запасенную в пружине. (Смотрите примечание ниже для получения дополнительной информации о взаимосвязи между работой и энергией.)

Из приведенного выше уравнения пружины, подставив kδ вместо F

U = энергия деформации (Нм, Дж)

δ = отклонение (м)

F = приложенное усилие (N)

k = постоянная пружины (Н/м)

Энергия деформации является упругой, то есть материал имеет тенденцию восстанавливаться при снятии нагрузки. Способность материала возвращаться к своей первоначальной длине или форме за счет высвобождения энергии деформации при снятии нагрузки называется его упругость Пружина с высокой упругостью может выдерживать большие прогибы и создавать более высокие усилия. Наилучшие эксплуатационные характеристики обеспечиваются пружинами с высоким допустимым прогибом (упругостью) и высокими допустимыми усилиями.

Упругость обычно выражается в виде модуля упругости, который представляет собой количество энергии деформации, которое материал может накапливать на единицу объема не вызывая необратимой деформации. Модуль упругости можно определить, взяв площадь под кривой напряжение-деформация материала вплоть до предела упругости (который приблизительно равен пределу текучести).

U_r = модуль упругости (Н/м², С ведома)

р_и = предел текучести (Н/м² С ведома)

э_и = предел текучести (безразмерный)

E = модуль упругости (Н/м², С ведома)

Заметка о работе и энергии

Когда над объектом выполняется работа, его энергия изменяется на величину, равную проделанной работе.

В случае с пружинами это потенциальная энергия (называемая энергией деформации), которая изменяется. Другими словами, энергия деформации пружины равна работе, проделанной над пружиной.