Как найти коэффициент жёсткости пружины: формула, определение

Формула определения жесткости

Изучаемая современными школьниками формула, как найти коэффициент жесткости пружины, представляет собой соотношение силы и величины, показывающей изменение длины пружины в зависимости от величины данного воздействия (или

равной ему по модулю силы упругости). Выглядит эта формула так: F = –kx. Из этой формулы коэффициент жесткости упругого элемента равен отношению силы упругости к изменению его длины. В международной системе единиц физических величин СИ он измеряется в ньютонах на метр (Н/м).

Другой вариант записи формулы: коэффициент Юнга

Деформация растяжения/сжатия в физике также может описываться несколько видоизмененным законом Гука. Формула включает значения относительной деформации (отношения изменения длины к ее начальному значению) и напряжения (отношения силы к площади поперечного сечения детали). Относительная деформация и напряжение по этой формуле пропорциональны, а коэффициент пропорциональности – величина, обратная модулю Юнга.

Модуль Юнга интересен тем, что определяется исключительно свойствами материала, и никак не зависит ни от формы детали, ни от ее размеров.

К примеру, модуль Юнга для ста

ли примерно равен единице с одиннадцатью нулями (единица измерения – Н/кв. м).

Смысл понятия коэффициент жесткости

Коэффициент жесткости – коэффициент пропорциональности из закона Гука. Еще он с полным правом называется коэффициентом упругости.

Фактически он показывает величину силы, которая должна быть приложена к упругому элементу, чтобы изменить его длину на единицу (в используемой системе измерений).

Значение этого параметра зависит от нескольких факторов, которыми характеризуется пружина:

• Материала, используемого при ее изготовлении.
• Формы и конструктивных особенностей.
• Геометрических размеров.

По этому показателю можно сд

елать вывод, насколько изделие устойчиво к воздействию нагрузок, то есть каким будет его сопротивление при приложении внешнего воздействия.

Особенности расчета пружин

Показывающая, как найти жесткость пружины, формула, наверное, одна из наиболее используемых современными конструкторами. Ведь применение эти упругие детали находят практически везде, то есть требуется просчитывать их поведение и выбирать те из них, которые будут идеально справляться с возложенными обязанностями.

Закон Гука весьма упрощенно показывает зависимость деформации упругой детали от прилагаемого усилия, инженерами используются более точные формулы расчета коэффициента жесткости, учитывающие все особенности происходящего процесса.

• Цилиндрическую витую пружину современная инженерия рассматривает как спираль из проволоки с круглым сечением, а ее деформация под воздействием существующих в системе сил представляется совокупностью элементарных сдвигов.
• При деформации изгиба в качестве деформации рассматривается прогиб стержня, расположенного концами на опорах.

Что такое жесткая и мягкая вода

Мягкая вода характеризуется, в первую очередь, приятным вкусом и сохранением защитного слоя на коже и волосах даже после воздействия мыла. Жесткая же, напротив, отличается выраженным горьковатым неприятным привкусом и высушиванием кожи и волос.

Как определить вода жесткая или мягкая?

Чем отличается жесткая вода от мягкой и как без анализа отличить их и определить излишнюю жесткость воды? Существует ряд признаков, по которым можно сделать вывод о наличии избыточных солей жесткости, основываясь на собственных наблюдениях.

Признаки жесткой воды:

• приглушенный вкус напитков и воды,
• “моментальное” заваривание чая за пару секунд до черноты. Заваренный в мягкой воде, черный чай постепенно приобретает оранжево-красный цвет. Жесткая же вода “убивает” весь вкус напитка и эстетическое удовольствие. Если в чае есть какие-то добавки, например, барбарис, они почти не будут чувствоваться как на вкус, так и по запаху.
• плохое пенообразование у любых моющих средств.
• “скрип” у кожи и волос после умывания с мылом. Такой эффект означает смывание естественной защитной пленки.
• повышенная сухость кожи и волос после умывания.

Как узнать, жесткая ли у вас вода, если не с чем сравнивать и вы всегда жили на одном месте? В большинстве случаев наблюдаются средние показатели жесткости и люди не всегда догадываются, что с водой что-то не так, так как привыкли к определенному вкусу и запаху.

Конечно, организм приспосабливается ко многим вещам. Постепенно мы привыкаем скупать тоннами увлажняющий крем и пить бутилированную воду. Но даже в разных районах одного города может быть разная вода и придя в гости к друзьям и впервые попробовав действительно вкусный чай, можно задуматься, а что вообще с моей водой?

Какая вода лучше жесткая или мягкая?

Согласно СанПин, есть рекомендации только для общей жесткости воды. Что касается “настоящей” жесткости, которую не убрать кипячением, приходится полагаться на собственные ощущения. Если говорить о вкусе и уходе за кожей, жесткая вода однозначно проигрывает. У мягкой, впрочем, есть один нюанс: она может оказывать коррозионное воздействие на сантехнику и в ряде случаев даже требовать искусственной регуляции солевого баланса.

Вред, наносимый жесткой водой

Рассмотрем негативное воздействие чрезмерно жесткой воды на организм человека, бытовую технику и коммуникации. Чем выше параметр жесткости, тем сильнее будет значение каждого вида вредного воздействия.

Вред для здоровья человека и домашних питомцев

1. Высокая жесткость способствует росту мочевых камней и развитию мочекаменной болезни. Это связано с накоплением солей, которые просто не успевают выводиться из организма.
2. При умывании жесткая вода сушит кожу. Это происходит из-за появления «мыльных шлаков» образованных из мыла, которое не способно мылиться и растворяться в жесткой воде. Эти мыльные шлаки закупоривают поры, не давая им свободно дышать, вследствие чего могут развиваться кожные воспаления, не давать покоя зуд и жжение кожи.
3. Образование тонкой корке на волосах разрушает естественную жировую пленку. Происходит это так же, как и на коже рук – «мыльные шлаки» не вымываются и постепенной накапливаются. Это может вызвать зуд кожи головы, перхоть и даже выпадение волос.
4. Влияние сильно жесткой воды на здоровье животных не отличается от воздействия на человеческий организм. Существует высокий риск развития мочекаменной болезни. У питомцев, питающихся сухими кормами, этот риск возрастает в несколько раз. Возможно появление проблем с шерстью и кожей, как у собак, так и у кошек при их регулярном купании.
5. Замедляется процесс приготовления пищи, из-за многочисленных солей плохо разваривается мясо. Это приводит к плохому усвоению белка и может вызвать заболевания желудочно-кишечного тракта.

Вред, наносимый жесткой водой технике и предметам быта

1. Мыльные средства из-за наличия большого количества солей в воде крайне плохо пенятся и отмывают загрязнения. Поэтому количество порошков, средств, предназначенных для мытья посуды и прочих предметов бытовой химии, придется резко увеличить.
2. Кроме плохого вспенивания мыльных средств, из-за контакта жесткой воды с ними образуются разводы и твердый налет на сантехнике и поверхности посуды, так как выпадает солевой осадок. Такой налет тяжело отмывается с посуды, а так же негативно влияет на сантехнику, постепенно разрушая ее поверхности.
3. В процессе нагревания воды в электроприборах соли не просто выпадают в осадок, а кристаллизуются и выпадают в виде накипи. Именно накипь является основной причиной быстрой поломки водонагревательных приборов.
4. Жесткая вода оставляет пятна, разводы и грязные налеты на свежевыстиранных вещах, цвет тускнеет, принты и рисунки становятся серыми. От них избавиться очень сложно и это, опять же, требует повышенных затрат моющих средств. Ткань, постиранная в жесткой воде, становится грубой и неэластичной, потому что соли забивают в ней все свободное пространство. Уменьшается прочность одежды и белья.

Вредные последствия воды с повышенной жесткостью для коммуникаций

1. Соли жесткости так же, как и на бытовых приборах, выпадают в осадок или кристаллизуются, образуя на поверхности коммуникационных путей и крупных приборов и установок накипь. Накипь истончает стенки коммуникаций, впоследствии полностью разрушая их.
2. Обилие выпадающих в осадок или накипь солей жесткости, приводит к частым выходом из строя крупных водонагревательных установок, типа бойлеров.
3. В системах оборотного водоснабжения, образующиеся накипные отложения, водные камни и шлам из солей уменьшают проходимость труб, при этом падает теплоотдача. Падает напор воды, уменьшается количество воды в радиаторах, закупориваются входы и выходы воды из домов, что может привести к полному закупориванию коммуникационных сетей. Все это увеличивает энергозатраты.

В домашних условиях наиболее рациональный способ уменьшение жесткости воды – использование фильтров, которые очистят воду для питья и приготовления пищи от избытка солей. В идеале, воду для любого использования дома нужно фильтровать.

Но при этом, не нужно забывать, что показатель жесткости должен равняться определенному среднему значению. Слишком мягкая вода также не несет никакой пользы. Она повышает риск развития сердечно сосудистых заболеваний у человека, вымывает соли из организма, вызывая быстрое развитие рахита и истончение костей. В коммуникационных системах мягкая вода вызывает коррозию металлических труб.

Сохраните статью в соцсети:

28 апреля 2016

Способы определения и снижения жесткости

В некоторых случаях жесткость воды определяется визуально – на стенах чайника быстро образуется накипь, а раковина, даже при регулярной мойке, постоянно имеет тусклый налёт. Среди других симптомов можно выделить следующие:

1. Мыло и другие моющие средства плохо пенятся.
2. Вкус воды с избытком солей отличается от вкуса качественной питьевой воды.
3. Приготовление пищи занимает больше времени. Например, чай заваривается в такой воде дольше.
4. В некоторых случаях вода может приобретать какой-либо оттенок.

Узнать величину жесткости воды можно у работников станций водоочистки либо в коммунальных службах. Также есть специальные лаборатории, которые делают анализ качества воды.

Полученные знания покажут, нужно ли приобретать какие-либо средства для посудомоечных либо стиральных машин, а также нужна ли дополнительная очистка вашей водопроводной воде. На сегодняшний день уменьшение жесткости воды выполняется с использованием различных технологий.

Магнитные смягчители

Этот способ смягчения жидкости относится к нехимическим методам. Суть воздействия состоит в использовании магнитного поля, которое создаётся при помощи пары магнитов. С их помощью происходит удаление разных примесей, включая ионы магния и кальция. Эти магниты находятся сверху на водопроводной трубе.

Однако, по мнению многих специалистов, эффективность таких смягчителей является очень сомнительной. Местом, где их использование действительно приносит желаемый результат, являются трубы в котельных. Магнитное поле воздействует таким образом, что отложения в трубах становятся очень рыхлыми, поэтому их очень легко удалить.

Использование душевых насадок и кувшинных фильтров

Довольно неплохим способом, как уменьшить жесткость воды, является использование душевых насадок. Их накручивают прямо перед лейкой. По словам производителей, они смягчают и ароматизируют воду, а также убирают остаточный хлор. Однако, по мнению многих потребителей, душевые насадки ориентированы на наивных людей, которые легко верят любой рекламе.

Для смягчения воды многие пользуются кувшинными фильтрами, которые выполнены в виде ёмкости, где содержится специальный сменный картридж из активированного угля – фильтрующий элемент. На сегодняшний день это простой и достаточно дешевый способ очищения жидкости.

Ионообменные смягчители и обратный осмос

Как известно, жесткая вода становится довольно частой причиной поломок посудомоечных и стиральных машин. Специалисты рекомендуют выполнять смягчение, используя ионообменные смягчители. Устройство имеет два резервуара, первый из которых содержит ионообменную смолу, а второй – солевой раствор.

Соли магния и кальция, содержащиеся в воде, проходя через первый резервуар, вступают в реакцию с ионами смолы. После нейтрализации солей жидкость попадает в солевой резервуар, где пополняется ионами натрия. В результате благодаря магнитному обмену происходит смягчение.

Одним из самых надёжных способом смягчения считается обратный осмос. Жидкость проходит сквозь полупроницаемую мембрану из сильно концентрированного в менее концентрированный раствор. Стоит заметить, что давление при этом является большим, чем разница осмотического давления этих двух растворов.

В итоге растворённые примеси задерживаются мембраной. Качество такой воды является достаточно высоким, однако недостатком технологии является удаление не только вредных примесей, но и полезных.

Применение солей и термические методы

Смягчающие соли чаще всего применяют во время работы посудомоечных машин. Они препятствуют образованию накипи, что оберегает устройство от поломок. Приобрести средство можно в виде таблеток. Их количество зависит от степени жесткости воды, а также от модели посудомоечного агрегата. Кстати, у некоторых машин есть специальные индикаторы, которые сигнализируют о том, что требуется добавка соли.

Термические способы смягчения заключаются в нагревании либо вымораживании. В целом же решение проблемы жесткости воды зависит от объёма её потребления и финансовых возможностей.

Признаки повышенной жесткости

Что такое жесткость воды? Это показатель, определяющий уровень магниевых и кальциевых солей, которые входят в химический состав жидкости. Единицы измерения — моль/куб.м и мг.экв./литр.

Жесткая вода — частое явление, которое обусловлено влиянием подземных вод, насыщенных солями химических элементов. Кроме того, подобная жидкость может содержать хлоридные и фосфатные соединения, а также различные органические загрязнители.

Чтобы определить жесткость воды своими руками, рекомендуется воспользоваться специальным устройством — кондуктометром, предназначенным для замера параметра электропроводимости жидкости. Высокий показатель указывает на повышенную концентрацию солей металлов в воде.

В процессе кипячения химические соли образуют осадочную массу, но большая часть соединений попадают в человеческий организм, оседают на стенках приборов, техники и оборудования.

Какая же вода будет считаеться жесткой? Основные признаки повышенной концентрации солей следующие:

• моющие средства плохо вспениваются;
• после кипячения образуется накипь и белый налет;
• после стирки вещей и мытья посуды остаются характерные разводы;
• жесткая жидкость приобретает неприятный горький привкус;
• вода оказывает негативное влияние на эксплуатационные характеристики тканей;
• повышенная концентрация солей приводит к заболеваниям выделительной системы, а также к дряблости и сухости кожи.

Мероприятия по обеспечению механической жёсткости

Главным практическим средством повышения жёсткости является изменение геометрических параметров детали с целью обеспечения достаточной жёсткости формы. Главными конструктивными средствами повышения жёсткости деталей и конструкций являются:

• по возможности устранения деформации изгиба, как невыгодной с точки зрения обеспечения жёсткости и прочности, замена её деформацией растяжения (сжатия)
• для деталей, работающих на изгиб, выбор рациональных типов опор и их размещения, исключение по возможности консолей и уменьшения их длины, стремясь к равномерному распределению нагрузки по длине;
• рациональное, но без роста массы, увеличение моментов инерции сечений путем удаления материала от нейтральной оси, усиление закладных участков и участков перехода от одного сечения к другому;
• для коробчатых деталей — использование криволинейных выпуклых стенок;
• блокировки деформаций путем установления раскосов (для рам), обечаек и перемычек (для полых тонкостенных цилиндров), оребрения тонких стенок, рифление плоских поверхностей крышек и тому подобное.

Наряду с собственной жесткостью в соединениях деталей значительную роль играет контактная жёсткость, которая может определять точность движения контактирующих деталей, вызвать дополнительные динамические нагрузки, влиять на износостойкость поверхностей и их долговечность, на рассеяние энергии колебаний.

Важнейшими конструктивными мерами по повышению контактной жёсткости являются:

• уменьшение шероховатости поверхности;
• создание натяжения или предварительное затягивание в соединениях;
• создание слоя смазки между контактирующими поверхностями.

Что такое жёсткость воды и почему её нужно определять

На жёсткость воды влияет содержание в ней солей щёлочноземельных металлов, в частности кальция и магния. Положительно заряженные ионы этих минералов растворены в воде и влияют на её характеристики. Чем меньше солей содержится в воде, тем она мягче.

Различается два вида жёсткости: временная и постоянная. В первом случае проблема легко решается кипячением. Во втором придётся прибегать к очистным фильтрам.

Жёсткость воды обозначается градусами и мг-эквивалентами на 1 л.

1 мг-экв./л равен 20,04 мг кальция и 12,6 мг магния.

Допустимый предел жёсткости:

• в странах бывшего СССР — 7 мг-экв./л;
• В Европе — до 1,2 мг-экв./л.

По градусам жёсткости выделяется три категории воды:

Жёсткая — более 10°Ж.

1. Средней жёсткости — от 2 до 10 °Ж.
2. Мягкая — до 2 °Ж.

Интересно, что даже средняя жёсткость воды вызывает дискомфорт.

Почему нужно проверять жёсткость водопроводной воды? При регулярном употреблении человеком некачественного питья возникают такие проблемы, как камни в почках, печени и желчном пузыре. Определение жёсткости позволит скорректировать показатель до нормы и использовать ресурс без опасений.

Косвенным признаком жёсткости воды является не только известковый налёт на чайнике и посуде, но и некорректная работа приборов — посудомоечной, стиральной машины, кофемашины. При протечке крана появляются следы водного камня на сантехнике. Очищенная вода продлит срок службы бытовых приборов. Проверить жёсткость воды можно в лаборатории, а также домашними приёмами.

Способы понижения жесткости

Рекомендуется обрабатывать и питьевую, и бытовую жидкости. Можно использовать различные способы умягчения воды.

Термический

Другими словами действие можно назвать кипячением. Повышенные температуры вызывают распад карбоната кальция — это соединение чаще и вызывает жесткость. Минусы способа в том, что карбонат не растворяется, а преобразуется в осадок. Исчезает лишь углекислый газ, который является растворимой частью соединения. Метод удобен тем, что доступен в бытовых условиях.

Мембранный

Метод предполагает использование молекулярных мембран. Это позволяет удалять до 98% примесей. Питьевая вода, очищенная мембранным способом, будет полезнее, если в системе дополнительно установить минерализатор

Однако, важно помнить, что вещества, которые попадают в организм с той же водопроводной жидкостью, есть и в других пищевых продуктах. Например, тот же кальций содержится в стакане молока

Химический (реагентный)

Метод позволяет преобразовать растворяющиеся вещества в нерастворяющиеся. Действие заключается в использовании различных реактивов. Например, карбонаты выводятся известью, а сульфаты – содой. Нередко в специальных системах применяют синтетические соединения. Простейшие реагенты, которые понижают жесткость:

1. Уксус и лимонная кислота;
2. Поваренная соль.

Первые два компонента часто рекомендуются в смягчении жидкости, которая будет применяться для мытья  волос. В питьевых целях использование метода, не рекомендуется, так как это повышает кислотность в желудке.

Соль изменяет не только химический состав, но и вкус. Соленая вода спасает нагревательные устройства от накипи. В большинстве случаев средство подходит для посудомоечных устройств, стиралок.

Производители поставляют реагент в виде таблеток или гранул с ароматическими добавками. Предлагаемое в продаже вещество чаще всего и представляет собой обычную поваренную соль.

Магнитный

Метод предполагает действие на воду постоянного магнитного поля. Магниты влияют на изменение структурной сетки солей в жидкостях. Частицы перестают соединяться между собой на молекулярном уровне, не образуют осадка. Считается, что это даже помогает разрыхлить уже имеющуюся накипь, в результате снижения концентрации солей сантехнические трубы, бытовое оборудование и прочие приборы показывают длительный срок службы. Последние эксперименты доказывают, что магнитные умягчители снижают также и содержание железа.

Электромагнитный

Этот метод совершеннее в сравнении с предыдущим вариантом. Разница состоит лишь в том, что лишние соли выводятся через специальные сборники в отстойники или в канализацию.

Ионообменный

Использование метода предполагает замещение ионов кальция и магния ионами натрия. Вещества растворимы, при этом не влияют негативно на здоровье.

Все методы нередко комплексно входят в современные очистительные системы. Выбор способов должен основываться на анализе, проведенном в специализированной лаборатории.

Использование мягкой и жесткой воды

Однозначного ответа на вопрос, какая же вода лучше – мягкая либо жесткая, нет. Каждая из них имеет свои положительные и отрицательные стороны. Однако жесткая вода из-под крана, содержащая большое количество солей, конечно, вредна для нашего здоровья.

С другой стороны, чересчур мягкая вода также имеет свои минусы – она вымывает из крови необходимые организму микроэлементы, что существенно увеличивает вероятность развития сердечно-сосудистых заболеваний.

На самом деле организму могут наносить больший вред другие вещества, входящие в состав жидкостей. К минусам жесткой воды можно отнести возникновение известняковых отложений на стенках бытовых приборов. Также практически все моющие средства очень плохо пенятся, зато жир с поверхности кожи смывается очень хорошо. А это, в свою очередь, грозит раздражением.

Отрицательным качеством является также и то, что волосы после мытья становятся непослушными и жесткими. Появляется риск образования в почках и печени камней, а в суставах – солей. Среди положительных качеств жесткой воды можно выделить разве что вероятность снижения развития гипертонических болезней и заболеваний сердца.

Если говорить о пользе мягкой воды, то её использование благотворно влияет на кожу, делая её шелковистой. Волосы легко вымываются, а зубная эмаль долго остаётся в хорошем состоянии. Также сантехника служит долгое время, без поломок, а моющих средств расходуется намного меньше.

Некоторые могут подумать, что у мягкой воды вообще нет недостатков, однако это не совсем так. Содержание минералов является очень важным фактором – именно поэтому минеральные воды столь популярны. Но если говорить о водопроводной воде, то для всех лучше, чтобы она всё-таки была мягкой.