¿Cómo se almacena realmente la energía potencial en un resorte de acero a nivel atómico?

en realidad estas haciendo dos preguntas

1)

¿Cómo se almacena realmente el PE en un resorte de acero a nivel atómico?

La explicación de esto radica en la mecánica cuántica.

2)

¿Podría explicar en detalle cómo y dónde se almacena realmente la energía potencial en un resorte de acero y por qué el material nunca se rinde a las fuerzas de flexión que toman una nueva forma?

Respondiendo a 1) uno tiene que pensar mecánicamente cuánticamente. Todos los sólidos forman redes. Estas redes se forman porque, aunque los átomos y las moléculas individuales son neutros, hay campos eléctricos de desbordamiento debido al hecho de que los orbitales de los electrones no son esféricos, excepto en los estados de momento angular l=0, pero tienen formas. Uno puede pensar en ellos como formas de LEGO que encajan, desbordamiento positivo a fuerzas de desbordamiento negativas, formando nuevas soluciones mecánicas cuánticas a un nivel de energía más bajo, liberando energía en fotones suaves en el proceso (esa es la razón por la cual la precipitación libera energía/calor al ambiente). Por lo tanto, la red se equilibra a un nivel mecánico cuántico más bajo que los propios átomos/moléculas libres.

La función de estado de la red es colectiva de todas las moléculas/átomos que la componen, y actúa como una "partícula" de nivel superior, responde colectivamente mecánicamente cuánticamente siempre que las energías con las que interactúa estén dentro de los niveles de energía del colectivo. estado. Debe recordar que en las soluciones mecánicas cuánticas se llenan los niveles de energía más bajos, pero los más altos existen y están disponibles si se suministra energía.

¿Qué sucede si se impone una fuerza externa sobre la red? La función de estado colectivo, solución del estado mecánico cuántico de la red, al absorber fotones suaves colectivamente, se mueve a un nivel de energía de red más alto. Cuando se elimina la presión, vuelve a caer a su nivel de energía más bajo mediante la liberación de fotones suaves. Estas son deformaciones no destructivas. Si la energía es demasiado alta, los enlaces de la red se romperán y las soluciones de la red ya no serán válidas.

La elasticidad significa que algunos materiales tienen suficientes niveles de energía en la red para poder deformarse y volver al estado fundamental sin destruirse. La energía se almacena en el nivel de energía superior alcanzado por la interacción "fuerza de red". Entonces, la red de resortes de acero a nivel atómico está en un nivel de energía más alto. Evidentemente, las redes de acero pueden sufrir muchas deformaciones, por lo que deben tener muchas energías más altas que el estado fundamental.

Ahora, para la segunda pregunta, los modelos son modelos continuos con parámetros que dependen del marco subyacente de la mecánica cuántica pero que son emergentes del problema de muchos cuerpos. Esto parece ser todavía un problema de investigación ya que tiene que ver con materiales útiles para la industria y la vida en general. Se proponen modelos que utilizan el modelado de resortes de la otra respuesta a nivel de red , evitando las complicaciones mecánicas cuánticas por aproximaciones.

En un modelo de resorte de celosía (LSM), el material se discretiza en partículas unidas por resortes. Sin embargo, los LSM siempre adoptan resortes lineales, lo que da como resultado una aproximación rígida de la solución elástica correspondiente. En este trabajo, se propone un LSM de alto orden para superar esta limitación mediante la introducción de grados de libertad (DOF) adicionales a las partículas.

En este caso, la dinámica interna de la mecánica cuántica se aproxima mediante resortes.

En primer lugar, puede deformar el material de forma permanente... la primavera no es una excepción. A nivel atómico, estás trabajando contra las fuerzas de Coulomb que unen el material id est, que forman la red. Una célula primitiva está bien definida por las condiciones de mínima energía. Puede describir este potencial como cuadrático, por lo que obtiene fuerzas armónicas, pero, por supuesto, no es verdaderamente cuadrático. En aproximación, obtienes la ley de Hooks. Es un buen aprox. para pequeños desplazamientos, pero cuando realiza grandes deformaciones, ingresa a una zona no lineal en fuerza o zona no cuadrática en términos de energía/trabajo realizado para el desplazamiento. Spring en sí mismo tiene una estructura geométrica interesante que lo hace más susceptible a las fuerzas, por lo que puede ser tan fuerte como quieras que sea. Un palo de metal vibrará de la misma manera pero es tan rígido que no puedes ver fácilmente estas vibraciones con pequeñas fuerzas aplicadas. La fuerza de restauración es la fuerza de Coulomb, con fuerzas repulsivas y atractivas equilibradas para formar un mínimo potencial agradable.

Lo que observa como deformación mecánica de un resorte de acero es un desplazamiento real (movimiento) de los átomos que constituyen el resorte. En algunos lugares, los átomos estarán un poco más cerca de sus vecinos (compresión) y en otros lugares estarán más separados (tensión). La combinación de compresión en un lado y compresión en el otro lado de una viga o alambre hace que se doble hacia el lado de la compresión. Un alambre enrollado es el tipo de resorte más estereotípico, pero todas las formas de resortes implicarán algo de compresión o tensión y, por lo general, ambas.

La química (cuántica) de sus átomos determina el espacio habitual entre los átomos. En los metales, eso suele crear una red muy regular, un cristal, pero no un monocristal: tiene muchos dominios cristalinos, cristales individuales que lindan entre sí. Cuando las fuerzas se vuelven demasiado grandes, estos cristales pueden crecer o encogerse a lo largo de su borde y pueden deslizarse unos contra otros. Esta es la causa de las deformaciones permanentes y otros cambios (especialmente el endurecimiento por trabajo y la fragilización).

¡Sus detalles "técnicos" son buenas preguntas para confirmar la comprensión del tema! Permítanme tratar de abordarlos en orden pero reformulado:

1. ¿Se transforma la energía en calor durante la compresión?$H_c$exactamente igual a la energía perdida mecánicamente (la parte de la energía de compresión que no se recupera al liberarse)?

   Tu suposición es casi cierta. La energía perdida se pierde porque se disipa (se convierte en calor). Pero es (algo teóricamente) posible que parte del calor generado temporalmente durante la compresión se convierta adiabáticamente de nuevo en movimiento mecánico. Esto ocurre para el movimiento rápido en escalas de longitud no demasiado pequeñas (para la velocidad). Es importante para detalles como el espectro de fluctuaciones submicroscópicas impulsadas térmicamente de superficies metálicas (sí, hay movimiento browniano en todas partes).

2. ¿La pérdida de calor durante la compresión y la tensión se debe exactamente a los mismos procesos?

   Esencialmente, sí. Básicamente introduces un signo menos en casi todas partes. Por ejemplo, el cambio de temperatura adiabático (la compresión calienta las cosas, la expansión las enfría) hace que la conducción térmica vaya en sentido contrario pero se disipe de la misma manera porque la mayoría de las cosas que importan tienden a ser lineales en el cambio de temperatura y, por lo tanto, son muy similares. Obviamente, hay excepciones menores: para abordar otro ejemplo cuantitativamente poco importante, la disipación por radiación térmica no es del todo simétrica: cuando se comprime y, por lo tanto, se calienta, aumenta más de lo que disminuye para la misma tensión y, por lo tanto, se enfría. Quizás más relevante (pero más allá de mi experiencia personal), probablemente haya otros mecanismos de calentamiento, como el calor liberado o absorbido en los cambios de los dominios de cristal,

3. ¿Cómo se minimiza la pérdida de energía mecánica cuando se cicla un resorte?

   Usar acero (de resorte) es un buen comienzo; especialmente para ciclos muy rápidos (piense en bolas de acero que rebotan entre sí), tiene un coeficiente de restitución muy alto. Puede hacer órdenes de magnitud mejor usando ciertos cristales o vidrios (sílice fundida, cristales de cuarzo, zafiro, los cristales de silicio pueden alcanzar una pérdida de 0,01 partes por millón cuando se operan en el vacío). Pero hay muchos efectos muy inconvenientes, especialmente en superficies y puntos de contacto. Los cristales de cuarzo para relojes, diminutos diapasones, tienen factores Q (el inverso de la pérdida de energía fraccionaria por ciclo) limitados a unos diez mil a pesar de venir en un paquete al vacío, debido a las pérdidas en los puntos de montaje mecánico y los contactos eléctricos. Si abre su paquete de vacío, corre el riesgo de reducir el factor Q en un orden de magnitud simplemente debido a la fricción del aire y la contaminación de la superficie.

4. ¿Qué determina la relación entre la energía recuperada y la energía cinética (velocidad al cuadrado, normalizada por la masa efectiva del resorte para este propósito) a la que rebota el extremo del resorte sin carga?

   La respuesta corta es que esta proporción es uno. Disculpe por simplificar la pregunta al empujar la parte que actúa como masa efectiva del extremo de su resorte (la masa total ponderada por cuánto contribuye a la energía cinética total) en la pregunta. La geometría y composición de su resorte lo determina. Es fácil de calcular en principio y, por lo tanto, no es muy esclarecedor considerarlo en detalle.

   Es muy útil considerar que el proceso se repite cíclicamente. Entonces tienes una oscilación de la misma frecuencia de todas las cantidades relevantes, y las relaciones entre sus amplitudes tienen nombres especiales. Por ejemplo, la relación entre la velocidad y la fuerza se denomina impedancia (mecánica). Un ingeniero podría basar una respuesta de manera más natural en esta impedancia que en mi concepto personal (pero preciso) de una masa efectiva para su propósito.

5. ¿Cuál es el coeficiente máximo de restitución?

   No lo sé, y no aceptaré ningún valor, ya que simplemente depende de lo que todavía acepte como resorte. Si considera la "restitución" de muescas submicroscópicas de cuarzo sólido o masas de prueba de sílice fundida para detectores de ondas gravitacionales, la energía perdida por energía de deformación puede ser inferior a 0,01 partes por millón.

6. ¿Puede haber colisiones esencialmente elásticas?

   Sí. Utilice bolas de acero por su comportamiento elástico.

http://en.m.wikipedia.org/wiki/File:HookesLawForSpring-English.png . Creo que esto también se debe a la constante del resorte, que creo que es la brecha presente entre el resorte cuando está enrollado donde se almacena la energía o la energía potencial y no creo que los átomos se vean afectados.

resorte horizontal ejerce una fuerza$F = (−kx, 0, 0)$que es proporcional a su deflexión en el$x$dirección. El trabajo de este resorte sobre un cuerpo que se mueve a lo largo de la curva espacial.$s(t) = (x(t), y(t), z(t))$, se calcula utilizando su velocidad,$v = (vx, vy, vz)$, para obtener

Por conveniencia, considere que el contacto con el resorte ocurre en$t = 0$, entonces la integral del producto de la distancia x y la velocidad x, xvx, es$x_2/2$.

La función

se llama energía potencial de un resorte lineal.

La energía potencial elástica es la energía potencial de un objeto elástico (por ejemplo, un arco o una catapulta) que se deforma bajo tensión o compresión (o tensionado en terminología formal). Surge como consecuencia de una fuerza que intenta restaurar el objeto a su forma original, que suele ser la fuerza electromagnética entre los átomos y las moléculas que constituyen el objeto. Si se suelta el estiramiento, la energía se transforma en energía cinética. Por lo que puedo decir, basado en la relatividad general y especial, la masa tiene una cierta cantidad de energía inherente a su existencia. esta energía regula la tasa de flujo del tiempo de la materia. a medida que la masa aumenta en velocidad, su energía cinética aumenta mientras que su tasa de tiempo se ralentiza. Así que creo que hasta que tengamos una mejor idea de cómo conceptualizar la dualidad materia/energía, el "