Độ cứng của lò xo là gì?
Độ cứng của lò xo, ký hiệu là k, cho biết lò xo "cứng" đến mức nào — tức là cần bao nhiêu lực để kéo dãn hoặc nén nó một khoảng nhất định. Giá trị k lớn nghĩa là lò xo cứng, khó biến dạng; k nhỏ nghĩa là lò xo mềm, dễ dãi ra. Đơn vị đo của độ cứng là niutơn trên mét (N/m). Máy tính này áp dụng định luật Hooke — một mối quan hệ vật lý cơ bản đúng với mọi lò xo đàn hồi trong giới hạn đàn hồi của nó.
Cách sử dụng máy tính
Bạn chỉ cần nhập lực tác dụng lên lò xo theo đơn vị niutơn (N) và độ biến dạng tương ứng so với vị trí cân bằng theo đơn vị mét (m). Máy tính sẽ ngay lập tức trả về độ cứng \(k = F/x\), kèm theo thế năng đàn hồi tích trữ trong lò xo tại độ biến dạng đó.
Giải thích công thức
Định luật Hooke phát biểu rằng lực đàn hồi của lò xo tỉ lệ thuận với độ biến dạng: \(F = kx\). Biến đổi công thức để tìm độ cứng, ta được $$k = \dfrac{F}{x}$$ Năng lượng tích trữ chính là diện tích phần dưới đường biểu diễn lực theo độ biến dạng: $$E = \tfrac{1}{2} k x^2$$
Ví dụ minh họa
Giả sử một lực 10 N làm lò xo dãn ra 0,05 m. Khi đó $$k = \frac{10}{0{,}05} = 200 \text{ N/m}$$ Thế năng đàn hồi tích trữ là $$E = \tfrac{1}{2} \times 200 \times 0{,}05^2 = \tfrac{1}{2} \times 200 \times 0{,}0025 = 0{,}25 \text{ J}$$
Câu hỏi thường gặp
Nên dùng đơn vị nào? Hãy dùng niutơn cho lực và mét cho độ biến dạng để có k tính theo N/m. Nếu bạn đo bằng cm, hãy đổi sang mét trước (chia cho 100).
Độ cứng lò xo có thể âm không? Không. Lực và độ biến dạng cùng chiều với nhau, nên k luôn dương. Dấu trừ trong công thức \(F = -kx\) chỉ thể hiện chiều của lực đàn hồi (lực kéo về), chứ không phải giá trị độ cứng.
Công thức này có đúng khi vượt giới hạn đàn hồi không? Không. Định luật Hooke chỉ đúng khi lò xo còn biến dạng trong vùng đàn hồi. Vượt quá giới hạn đàn hồi, lò xo bị biến dạng vĩnh viễn và k không còn là hằng số nữa.
