De natuurkunde van Hooke

Wet van Hooke, wet van elasticiteit ontdekt door de Engelse wetenschapper Robert Hooke in 1660, die stelt dat, voor relatief kleine vervormingen van een object, de verplaatsing of grootte van de vervorming recht evenredig is met de vervormingskracht of belasting. Onder deze omstandigheden keert het object na verwijdering van de lading terug naar zijn oorspronkelijke vorm en grootte. Het elastische gedrag van vaste stoffen volgens de wet van Hooke kan worden verklaard door het feit dat kleine verplaatsingen van hun samenstellende moleculen, atomen of ionen vanuit normale posities evenredig zijn met de kracht die de verplaatsing veroorzaakt.

De vervormingskracht kan op een vaste stof worden uitgeoefend door uitrekken, samendrukken, knijpen, buigen of draaien. Een metaaldraad vertoont dus elastisch gedrag volgens de wet van Hooke omdat de kleine toename in de lengte ervan, wanneer uitgerekt door een uitgeoefende kracht, verdubbelt elke keer dat de kracht wordt verdubbeld. Wiskundig stelt de wet van Hooke dat de uitgeoefende kracht F gelijk is aan een constante k maal de verplaatsing of verandering in lengte x, of F = kx. De waarde van k hangt niet alleen af ​​van het soort elastisch materiaal in kwestie, maar ook van de afmetingen en vorm.

Bij relatief grote waarden van uitgeoefende kracht is de vervorming van het elastische materiaal vaak groter dan verwacht op basis van de wet van Hooke, ook al blijft het materiaal elastisch en keert het na het wegnemen van de kracht terug naar zijn oorspronkelijke vorm en afmeting. De wet van Hooke beschrijft de elastische eigenschappen van materialen alleen in het bereik waarin de kracht en verplaatsing evenredig zijn. (Zie vervorming en stroming.) Soms wordt de wet van Hooke geformuleerd als F = −kx. In deze uitdrukking betekent F niet langer de uitgeoefende kracht, maar eerder de gelijke en tegengesteld gerichte herstellende kracht die ervoor zorgt dat elastische materialen terugkeren naar hun oorspronkelijke afmetingen.

De wet van Hooke kan ook worden uitgedrukt in termen van stress en spanning. Stress is de kracht op eenheidsgebieden binnen een materiaal dat zich ontwikkelt als gevolg van de extern uitgeoefende kracht. Spanning is de relatieve vervorming die door stress wordt veroorzaakt. Bij relatief kleine spanningen is stress evenredig met spanning. Voor specifieke uitdrukkingen van de wet van Hooke in deze vorm, zie bulkmodulus; afschuifmodulus; Young's modulus.