Когда к пружине (или любому эластичному материалу) прикладывается сжимающая или растягивающая нагрузка, нагрузка воздействует на пружину, заставляя пружину претерпевать изменение формы (растяжение или сжатие). Это изменение формы создает тип потенциальной энергии, называемый энергия деформации — в материале.

Типичный пружины сжатия испытайте 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 — чем стандартные пружины 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 Закон Гука — которые включают большинство пружин сжатия и волновых пружин — испытывают прогиб или смещение пропорционально приложенной силе.

F = приложенное усилие (N)

k = постоянная пружины (Н/м)

δ = отклонение (м)

Волновые пружины имеют относительно линейные пружинные константы 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 воздействиях. Наклон кривой сила-отклонение представляет собой постоянную пружины, а площадь под кривой равна работе, проделанной грузом для смещения пружины. Эта рабочая сила, приложенная на расстоянии, представляет собой потенциальную энергию (энергию деформации), запасенную в пружине. (Подробнее о взаимосвязи между работой и энергией смотрите в примечании ниже.)

Из приведенного выше уравнения пружины, подставляя kδ для 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, которые обладают высоким допустимым прогибом (упругостью) и высокими допустимыми усилиями.

Упругость обычно выражается в виде модуля упругости, который представляет собой количество энергии деформации, которую 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.