Физика · Механика · Инженерия

Калькулятор пружины

Закон Гука, потенциальная энергия, период колебаний, последовательное и параллельное соединение. Конструктивный расчёт винтовой пружины по диаметру проволоки и витка.

Загрузка калькулятора...

F = kx

Закон Гука

U = kx^2/2

Энергия пружины

T = 2pi*sqrt(m/k)

Период колебаний

6 режимов

Вкладок расчёта

Закон Гука — основа расчёта пружин

Закон Гука, сформулированный Робертом Гуком в 1660 году, описывает линейную зависимость между силой упругости и деформацией тела. Для пружин он выражается просто: сила пропорциональна растяжению или сжатию.

Этот закон справедлив в области упругих деформаций — пока пружина не превышает предел пропорциональности. За этой границей начинается пластическая деформация, и пружина не возвращается в исходное состояние.

Основная формула

F = k · x

FСила упругости (Н)
kКоэффициент жёсткости (Н/м)
xДеформация / удлинение (м)

⚡

Потенциальная энергия пружины

При деформации пружина запасает потенциальную энергию, которая может быть преобразована в кинетическую при возвращении в равновесное положение. Эта энергия пропорциональна квадрату деформации.

U = k * x^2 / 2

Энергия измеряется в джоулях (Дж). Графически U(x) представляет собой параболу — чем сильнее деформация, тем больше накопленная энергия.

🔄

Период колебаний пружинного маятника

Если к пружине подвесить груз массой m и отпустить, система начнёт совершать гармонические колебания. Период этих колебаний зависит только от массы и жёсткости, но не от амплитуды.

T = 2 π √(m / k)

mМасса груза (кг)

kЖёсткость (Н/м)

Соединения пружин

В реальных конструкциях пружины часто работают совместно. Способ соединения определяет эффективную жёсткость всей системы. Понимание разницы между последовательным и параллельным соединением — ключ к проектированию подвесок, демпферов и амортизаторов.

🔗

Последовательное

1/k_общ = 1/k_1 + 1/k_2

Общая жёсткость всегда меньше жёсткости самой мягкой пружины. Система становится податливее — больше деформация при той же нагрузке.

Пример: k1=100, k2=200 → k_общ = 66.7 Н/м

⚙️

Параллельное

k_общ = k_1 + k_2

Общая жёсткость равна сумме жёсткостей. Система становится жёстче — меньше деформация при той же нагрузке.

Пример: k1=100, k2=200 → k_общ = 300 Н/м

Конструктивный расчёт винтовой пружины

Жёсткость реальной винтовой пружины определяется геометрией проволоки, витка и свойствами материала

🏭

Формула жёсткости

k = G*d^4 / (8*D^3*n)

G — модуль сдвига (МПа)
d — диаметр проволоки (мм)
D — средний диаметр витка (мм)
n — число рабочих витков

🔩

Индекс пружины C

C = D / d

Оптимальные значения: C = 4...12. Если C < 4 — пружину сложно изготовить (слишком тугая навивка). Если C > 12 — пружина теряет устойчивость и склонна к боковому выпучиванию.

📊

Модуль сдвига G

Материал	G, МПа
Сталь пруж.	80 000
Нерж. сталь	79 000
Бронза	41 000
Титан	27 000

Примеры инженерных расчётов

Задача 1: Сила пружины

Дано: k = 500 Н/м, x = 0.03 м (3 см).

Формула: F = k * x

Решение: F = 500 * 0.03 = 15 Н

F = 15 Н

Задача 2: Период колебаний

Дано: m = 0.5 кг, k = 200 Н/м.

Формула: T = 2 π √(m/k)

Решение: T = 2 * 3.1416 * √(0.5/200) = 2 * 3.1416 * 0.05 = 0.314 с

T = 0.314 с (f = 3.18 Гц)

Задача 3: Энергия деформации

Дано: k = 1000 Н/м, x = 0.1 м.

Формула: U = k * x^2 / 2

Решение: U = 1000 * 0.01 / 2 = 5 Дж

U = 5 Дж

Задача 4: Последовательное соединение

Дано: k1 = 300 Н/м, k2 = 600 Н/м.

Формула: 1/k = 1/k1 + 1/k2

Решение: 1/k = 1/300 + 1/600 = 3/600 = 1/200

k_общ = 200 Н/м

Где применяются расчёты пружин

Пружины — один из самых распространённых элементов в машиностроении, приборостроении и бытовой технике

🚗

Автомобильная подвеска

Пружины подвески работают параллельно с амортизаторами. Их жёсткость определяет плавность хода и управляемость автомобиля.

🏗️

Строительство и сейсмозащита

Пружинные изоляторы защищают здания от вибраций и землетрясений, гася колебания за счёт накопления энергии.

🔬

Приборостроение

Динамометры, весы, датчики силы — все они используют закон Гука для преобразования деформации в измеряемую величину.

⌚

Часовые механизмы

Спиральная пружина (баланс) задаёт частоту колебаний маятника — основной хронометрический элемент механических часов.

Типы пружин и их характеристики

Пружины сжатия

Наиболее распространённый тип. Работают на уменьшение длины при осевой нагрузке. Витки не касаются друг друга в свободном состоянии.

Подвеска автомобилей
Шариковые ручки
Клапаны двигателей

Пружины растяжения

Работают на увеличение длины. Имеют крючки или петли на концах для закрепления. В свободном состоянии витки плотно прижаты друг к другу.

Гаражные двери
Батуты
Тормозные механизмы

Торсионные пружины

Работают на кручение вокруг оси. Накапливают энергию при угловом смещении. Момент пропорционален углу закручивания.

Прищепки и зажимы
Дверные петли
Мышеловки

Частые вопросы

Часто задаваемые вопросы

Закон Гука гласит: чем сильнее вы растягиваете или сжимаете пружину, тем большая сила стремится вернуть её обратно. Эта связь линейная — удвоение деформации удваивает силу. Формула: F = k * x, где k — жёсткость пружины, x — величина деформации.

Жёсткость (k) — это сила, необходимая для деформации пружины на единицу длины. Измеряется в Н/м. Зависит от материала (модуль сдвига G), диаметра проволоки (d), диаметра витка (D) и числа витков (n). Формула: k = G*d^4 / (8*D^3*n).

При последовательном соединении пружины крепятся друг за другом — общая жёсткость уменьшается (1/k_общ = 1/k1 + 1/k2). При параллельном — работают бок о бок, жёсткости складываются (k_общ = k1 + k2). Аналогия: последовательно — мягче, параллельно — жёстче.

Потенциальная энергия сжатой или растянутой пружины вычисляется по формуле U = k * x^2 / 2, где k — жёсткость (Н/м), x — деформация (м). Например, при k = 1000 Н/м и x = 0.05 м энергия составит U = 1000 * 0.0025 / 2 = 1.25 Дж.

Нет, для идеального пружинного маятника период T = 2*pi*sqrt(m/k) не зависит от амплитуды. Это свойство называется изохронностью гармонических колебаний. Однако при больших деформациях, выходящих за предел упругости, период может изменяться.

Индекс пружины C = D/d (отношение среднего диаметра витка к диаметру проволоки). Оптимальный диапазон: 4 — 12. При C < 4 пружина трудна в изготовлении, при C > 12 — нестабильна и склонна к выпучиванию. Индекс влияет на распределение напряжений в витках.

Закон Гука справедлив только в области упругих деформаций — до предела пропорциональности. За ним следует предел текучести, после которого начинается пластическая (необратимая) деформация. При ещё больших нагрузках пружина разрушается.

Самый распространённый — пружинная сталь (65Г, 60С2А) с модулем сдвига ~80 000 МПа. Для коррозионной стойкости используют нержавеющую сталь, для немагнитных применений — бериллиевую бронзу. Титан выбирают при необходимости лёгкости и коррозионной стойкости.

Похожие инструменты

🔄

Калькулятор шифров и кодов: Base32, Base58, Bcrypt, хэш

Универсальный криптографический калькулятор. Кодирование Base32/Base58, генератор и проверка Bcrypt, вычисление хэшей MD5, SHA-1, SHA-256.

🧮

Калькулятор CPM (стоимость показов)

CPM, CPC, CTR и рекламные метрики. Бюджет кампании, охват и эффективность. Для маркетологов.

🏥

Калькулятор QTc (коррекция интервала QT)

Рассчитайте корригированный интервал QT (QTc) по формулам Базетта, Фредерика, Фрамингема и Ходжеса. Оценка риска аритмии.

📐

Калькулятор матриц

Вычисление определителя, обратной матрицы, ранга и собственных значений. Удобный интерфейс с решением.

🏥

Шкала Апгар — калькулятор онлайн

Рассчитайте оценку по шкале Апгар для новорождённого. ЧСС, дыхание, мышечный тонус, рефлексы и цвет кожи. Мгновенный результат.

⚙️

Калькулятор радиаторов отопления

Количество секций радиатора для квартиры или дома. Учёт теплопотерь, стен, этажности и климата по СНиП.

🧮

Счётчик символов и слов онлайн

Символы с пробелами и без, слова, предложения, время чтения. Для SEO, соцсетей и копирайтинга.

🏭

Калькулятор времени цикла и переналадки (Setup vs Cycle)

Расчет эффективного времени цикла, производительности партии и влияния времени переналадки (Setup). Инструмент для SMED анализа.

💰

Калькулятор сырьевых товаров (нефть, газ, золото)

Рассчитайте стоимость контракта, P&L, конвертацию единиц и себестоимость для нефти, газа, золота и других сырьевых товаров.

🏥

Калькулятор фармакологии

Фармакокинетика: период полувыведения, клиренс, объём распределения, стационарная концентрация, нагрузочная доза, терапевтический индекс.

💻

Калькулятор CSS-анимаций: easing, keyframes, тайминг, спрайты

Комплексный инструмент для веб-анимаций. Визуализация easing-функций, генератор @keyframes, расчёт тайминга и stagger-задержек, спрайтовая анимация, бюджет производительности 60fps и генерация motion-токенов.

💰

Калькулятор хеджирования (фьючерсы и опционы)

Рассчитайте коэффициент хеджирования, количество фьючерсов, стоимость и эффективность хеджа. Для MOEX срочного рынка.

⚗️

Калькулятор газовых законов

Расчёт параметров газа по уравнению идеального газа PV=nRT, законам Бойля-Мариотта, Шарля, Гей-Люссака. Конвертация единиц давления и объёма.

🏥

Калькулятор биомеханики: нагрузка на позвоночник, прыжок, бег и мышцы Хилла

Биомеханические расчёты: модель Чаффина, кинетика прыжка и бега, центр масс (Де Лева), сила удара, модель мышцы Хилла.

🏥

Калькулятор HAS-BLED

Оценка риска кровотечений у пациентов с фибрилляцией предсердий на антикоагулянтной терапии по шкале HAS-BLED.

Создатель

Лиана Арифметова

Миссия: Демократизировать сложные расчеты. Превратить страх перед числами в ясность и контроль. Девиз: «Любая повторяющаяся задача заслуживает своего калькулятора».

⚖️

Отказ от ответственности

Только для информационных целей. Все расчёты, результаты и данные, предоставляемые данным инструментом, носят исключительно ознакомительный и справочный характер. Они не являются профессиональной консультацией — медицинской, юридической, финансовой, инженерной или иной.

Точность результатов. Калькулятор основан на общепринятых формулах и методиках, однако фактические результаты могут отличаться в зависимости от индивидуальных условий, исходных данных и применяемых стандартов. Мы не гарантируем полноту, точность или актуальность приведённых расчётов.

Медицинские, финансовые и профессиональные решения должны приниматься исключительно на основании консультации с квалифицированными специалистами — врачом, финансовым советником, инженером или другим профессионалом в соответствующей области. Не используйте результаты данного инструмента как единственное основание для принятия важных решений.

Ограничение ответственности. Авторы и разработчики сервиса не несут никакой ответственности за прямой или косвенный ущерб, возникший в результате использования данных расчётов. Пользователь принимает на себя всю ответственность за интерпретацию и применение полученных результатов.

Теги:#Физика #Механика #физика #наука #законы физики #расчёт #пружина #жёсткость #деформация #закон Гука #механика #коэффициент #калькулятор #бесплатно #онлайн