¿Se puede derivar la ley de Hooke?

¿Podemos derivar la ley de Hooke de la teoría de la elasticidad? Sé que no es una ley fundamental y por lo tanto puede derivarse de consideraciones más básicas.

Respuestas (2)

Sí, podemos derivar la Ley de Hooke a partir de condiciones continuas más básicas, siempre que el material sea estable y esté en equilibrio, de modo que la energía de deformación se minimice suavemente con respecto a la distancia entre los átomos. (Esta energía a veces se denomina potencial de par y se modela mediante funciones como el potencial de Lennard-Jones ).

Considere sólo un par de átomos. Para ligeras desviaciones de posición d (correspondiente a la suposición de elasticidad lineal de pequeña deformación) alrededor del mínimo de energía suave mi ( 0 ) , la energía mi , independientemente de su verdadera forma funcional, se puede expandir usando una serie de Taylor:

mi ( d ) = mi ( 0 ) + mi ( 0 ) d + mi ( 0 ) d 2 2 ! + mi ( 0 ) d 3 3 ! + ,

donde la notación prima denota derivadas con respecto a la posición. Ahora fijemos nuestra referencia de energía a mi ( 0 ) = 0 , tenga en cuenta que mi ( 0 ) = 0 porque estamos en un mínimo de energía, y caemos todos menos el próximo término. Esto da

mi ( d ) 1 2 mi ( 0 ) d 2 ,

que describe la energía de un resorte idealizado con constante de resorte mi y desplazamiento d ; la derivada de esta ecuación con respecto a la posición proporciona la fuerza restauradora, que es

F ( d ) mi ( 0 ) d .

Ahora defina el estrés como σ = F / A y tensión de ingeniería como ϵ = d / L y tenemos

σ = L mi ( 0 ) A ϵ
o
σ = Y ϵ ,

que es la ley de Hooke simple para un módulo elástico correspondiente Y .

De hecho, derivaste la ley de Hooke del potencial de Lennard-Jones y luego derivaste la elasticidad de la ley de Hooke.
Señalé específicamente que uno no necesita usar el potencial de Lennard-Jones o cualquier potencial específico; es suficiente suponer que la sustancia se encuentra inicialmente en un equilibrio estable. Esa es la belleza de una expansión de la serie Taylor; demuestra que cada mínimo suave parece una parábola de cerca. Una respuesta de energía parabólica es equivalente a una respuesta similar a un resorte.
Esa derivación funciona para materiales que no tienen imperfecciones. Como cristales perfectos.
Funciona bastante bien hasta que las vacantes/impurezas comienzan a formar una fracción justa de la fracción de volumen atómico. Pequeñas cantidades de imperfecciones en los cristales generalmente tienen un efecto mucho mayor en la resistencia que en la rigidez.
¡Gran derivación! Tengo problemas con el paso "... proporciona la fuerza restauradora". No pareces diferenciar con la posición, de lo contrario. mi ( 0 ) obtendría un primo adicional. En cambio, parece que divides la ecuación por 1 2 d Llegar
2 mi ( d ) d mi ( 0 ) d
en el LHS y luego use
( ) 2 mi ( d ) d = F ( d )
. Pero, ¿por qué esta última ecuación ( ) ¿mantener?
Diferencié con respecto a la posición. mi ( 0 ) es una constante

Me gusta esta derivación en particular porque evita el requisito de especificar fuerzas interatómicas, como la fuerza de Coulomb y la fuerza de Pauli. Sin embargo, técnicamente tendrá una relación para la compresión y otra para la tensión y, por lo tanto, dos constantes elásticas. En la escala macro, este método producirá el trabajo clásico y las funciones de trabajo virtual con las que los ingenieros estructurales están tan familiarizados. Esta es una excelente derivación.

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