فنرها اجسام مکانیکی کشسانی هستند و قابلیت آن را دارند که پس از تغییر شکل، کشیدگی و یا فشرده شده به حالت اولیه خود بازگردند. از فنرها در طیف گستردهای از وسایل مانند لوازم منزل، اسباببازیها و تجهیزات صنعتی استفاده میشود. فنرها توانایی بالایی در ذخیرهکردن انرژی مکانیکی دارند، بهخاطر همین در ساخت وسیلههای مختلفی بکار گرفته میشوند. یکی از مشخصات و خصوصیاتی که نقش مهمی در طراحی و ساخت فنر ایفا میکند، ضریب ثابت فنر است.
ثابت فنر، رابطه خطی میان نیرو و میزان جابهجایی فنر را نشان میدهد. برای اندازهگیری این پارامتر باید از قانون هوک استفاده کنید. در ادامه مقاله قصد داریم به زبانی ساده و گویا، این ویژگی مهم فنر را بررسی نماییم.
ضریب ثابت فنر چیست؟
امروزه فنرها با ساختار و شکلهای متفاوتی تولید و به بازار عرضه میشوند. اما نحوه تولید و میزان سختی فنر، باعث شده که موارد استفاده از این محصول متفاوت باشد. یکی از ملاکها و معیارهای انتخاب فنر توسط صنایع مختلف، میزان ضریب ثابت فنر است.
ثابت فنر، پارامتری ریاضی است که از آن در قانون هوک استفاده میشود. این پارامتر، معیاری برای اندازهگیری میزان سختی فنر در برابر تغییر شکل است. مقدار ثابت فنر به میزان نیرویی که به فنر اعمال میگردد، بستگی دارد. تولیدکنندگان فنر باید به این عنصر مهم در هنگام طراحی و ساخت انواع فنر، توجه کنند، زیرا میزان ثابت فنر و سختی آن در مدلهای مختلف فنر، متفاوت است.
مهندسی مواد فنر
در علم مکانیک جامدات، هنگامی که قطعهای را زیر فشار خارجی قرار میدهند قبل از شکستهشدن به دو صورت تغییر شکل میدهد:
- تغییر شکل کشسانی یا الاستیکی: در این حالت اگر نیروی وارد شده از جسم، حذف گردد آن جسم به حالت اولیه خود برمیگردد.
- تغییر شکل مومسان یا پلاستیکی: در این حالت اگر نیروی وارد شده بر جسم را حذف کنیم، آن جسم به حالت اولیه برنمیگردد.
فنرها بهخاطر کاربردی که دارند از مواد الاستیکی تولید میشوند. زمانی که نیروی وارد شده بر آنها را حذف کنیم دوباره به حالت اولیه خود برمیگردند. ازاینرو تولیدکنندگان فنرها باید ضریب ثابت فنر تولید شده را بهدرستی محاسبه کنند. همچنین در تولید انواع فنرها، از متریالی استفاده کنند که تحت تنشهای مختلف بتواند تغییر شکل الاستیکی مناسب از خود نشان دهد و زیر بار نیروهای وارد شده متغیر، مقاومت نماید.
بررسی قانون هوک
برای اولینبار رابرت هوک متوجه شد که منحنی تنش در مقابل کرنش برای بسیاری از مواد از جمله فنرها، دارای ناحیه خطی است. وی دریافت که نیروهای موردنیاز برای کشش یک جسم الاستیک (مانند فنرهای فلزی) در امتداد فنر در محدودههای معینی، مشخص میشود. بهطورکلی هنگامی که بر جسمی نیرو وارد میکنیم، باعث تغییر شکل آن شده و در جسم یکی از حالتهای زیر اتفاق میافتد:
- جسم بدون تغییر شکل حرکت میکند.
- جسم فشرده میشود.
- جسم خمیده میشود.
- جسم کشیده میشود.
ویژگی کشسانی جسم، سبب تغییر شکل جسم بر اثر اعمال نیرو میگردد. شاید این سوال برای شما مطرح شود که کشسانی چیست و چگونه تعریف میشود. برای این منظور جسمی را در نظر بگیرید که نیروی F، بر آن وارد شده و باعث تغییر شکل جسم گردیده است. فرض کنید نیروی وارد شده بر جسم حذف و جسم به حالت اولیه خود باز گردد. در این حالت میگوییم جسم از خود حالت کشسانی نشان داده است. توجه داشته باشید که مفهوم کشش با تعریف حالت کشسانی جسم متفاوت است. کشش، به افزایش طول فنر پس از کشیدن آن، گفته میشود.
ثابت فنر را میتوان از فرمول F= -KX اندازهگیری نمود. در این فرمول F مقدار نیرو، K ضریب ثابت فنر و X مقدار طول فنر را نشان میدهد. علامت منفی در فرمول بیانگر نیروی بازگرداننده ناشی از فنر در جهت مخالف نیرو است، زیرا هنگامی که فنر به سمت پایین کشیده میشود، باعث ایجاد نیرو در جهت بالا میگردد. واحد اندازهگیری ثابت فنر نیوتن بر متر (N/M) است.
ضریب ثابت فنر به چه عواملی بستگی دارد؟
ثابت فنر، ضریبی است که با نیروی وارد بر فنر رابطه مستقیم دارد. این پارامتر به عواملی مانند ماده سازنده فنر، طول آزاد فنر، قطر سیم، قطر سیمپیچ و تعداد سیمپیچهای فعال بستگی دارد. همانطور که قبلاً به آن اشاره کردیم ثابت فنر، اندازهگیری میزان سختی فنر در برابر فشردهشدن و یا کشیدهشدن است. با افزایش میزان سختی فنر، مقاومت آن در برابر تغییر طول، بیشتر خواهد شد. در ادامه مقاله عوامل مؤثر بر ثابت فنر را مورد بررسی قرار میدهیم:
- قطر سیم: همانطور که میدانید فنرها از سیمهای فلزی تولید میشوند. قطر سیم سازنده فنر، یکی از عوامل مهم بر اندازه ثابت فنر است.
- قطر سیمپیچ: قطر هر سیمپیچ، اندازهگیری سختی سیمپیچ را مشخص میکند.
- طول آزاد: طول فنر در هنگام استراحت و یا سکون بر سختی فنر تأثیر میگذارد.
- تعداد سیمپیچهای فعال: تعداد سیمپیچهایی که فشرده یا کشیده میشوند.
- مواد تشکیلدهنده فنر: جنس مادهای که فنر از آن تولید میشود نیز در کنار سایر خصوصیات فیزیکی فنر، در تعیین ثابت فنر نقش مؤثری دارد.
ثابت فنر، با قطر سیمپیچ رابطه مستقیم دارد. یعنی با افزایش قطر سیمپیچ، ضریب ثابت فنر نیز افزایش مییابد. اما این پارامتر با تعداد سیمپیچهای فعال، طول آزاد و قطر فنر رابطه عکس دارد.
باتوجه به اینکه فنرها دارای مقاومت و ضریب ثابت متفاوتی هستند، تولید فنر یک فرایند کاملاً سفارشی است، یعنی اکثر تولیدکنندگان، فنرهای مورد نیاز خود را بر اساس معیارهایی مانند قطر سیم، تعداد سیمپیچ، جنس متریال و… به تولیدکننده فنر سفارش میدهند. زیرا فنرها در صنایع مختلف، با میزان درجه سختی متفاوت مورد استفاده قرار میگیرند.
نحوه تغییر شکل ماده
فنر مانند هر ماده الاستیک دیگر برای اینکه تغییر شکل داده کشیده و یا فشرده شود، نیازمند مقدار نیروی مشخصی است. مواد الاستیک خاصیت کشسانی بالایی دارند. در بحث مکانیک به نیروی اعمال شده در واحد سطح، تنش میگویند. در واقع تنش یا کرنش، میزان فشردگی و کششی است که در اثر واکنش یک ماده رخ میدهد.
هر ماده، در برابر تنش، واکنشهای متفاوتی از خود نشان میدهد. این نوع واکنشها به مهندسان و تولیدکنندگان دستگاهها و قطعات مختلف کمک میکند تا موادی را برای سازهها و ماشینآلات خود انتخاب نمایند که در برابر تنشها مقاومت لازم را داشته باشند. میزان کرنش در انواع مختلف فنرها، به سختی پیوندهای شیمیایی درون ماده بستگی دارد. سختی ماده تحت تأثیر ساختار شیمیایی و نوع پیوندهای شیمیایی، مشخص میگردد.
باتوجه به اینکه ضریب ثابت فنر به عواملی از جمله میزان طول، جنس، میزان سختی و سطح مقطع فنر بستگی دارد، نوع طراحی فنر و متریال بکار رفته شده در تولید آن، میتواند بر روی نحوه کارایی فنر، تأثیر بسیار زیادی داشته باشد. زیرا فنر، یک جسم الاستیک است و مقدار مشخصی از نیرو را در خود ذخیره میکند و نوع متریالی که در تولید آن بکار میرود بر روی سختی آن، تأثیرگذار است.
تولیدکنندگان فنر، انواع فنرها را از فولاد کربندار ساده و یا آلیاژهای متفاوتی تولید میکنند. مثلاً با آلیاژ کروم و وانادیوم فولاد، یکی از فنرهای باکیفیت و گرانقیمت تولید میشود که در اثر کار، تغییر طول کمتری پیدا میکند و برای بارهای ضربهای و ارتجاعی بهتر است.
نتیجهگیری
فنرهایی که از قانون هوک پیروی میکنند بهصورت خطی رفتار میکنند، یعنی طبق فرمول هوک نیروی ایجاد شده توسط فنر، تابعی خطی از جابهجایی است. در نتیجه مواد دارای حد ارتجاعی مناسبی هستند و فنر حالت کشسانی خود را حفظ میکند، یعنی بعد از تغییر شکل به حالت اولیه خود برمیگردد. در نتیجه اگر تولیدکنندگان فنر، در هنگام طراحی و ساخت این قطعه، از قانون هوک کمک بگیرند میتوانند با تعیین میزان ضریب ثابت فنر، فنرهایی با استحکام و بادوام تولید کنند. شرکت مانا فنر، با استفاده از تیمی متخصص و تجهیزات پیشرفته با رعایت اصول و قوانین خاص، توانسته است محصولات خود را بر اساس میزان درجه سختی تولید نماید. ازاینرو مشتریان مانا فنر، از تولیدات این شرکت راضی هستند.