Co to jest sprężyna o stałej sile?

W większości typów sprężyn siła wywierana, gdy sprężyna jest ściskana, a następnie rozluźniana, jest proporcjonalna do odległości, na jaką została rozciągnięta. Sprężyna o stałej sile, w przeciwieństwie do zwykłej sprężyny, nie przestrzega tej zasady. W wyniku fizycznej konstrukcji sprężyny o stałej sile siła odrzutu pozostaje stała. Sprężyny o stałej sile są zatem przydatne w wielu zastosowaniach, w których ważna jest stała siła odrzutu.

Zachowanie zwykłych sprężyn można opisać równaniem matematycznym znanym jako prawo Hooke’a. To prawo mówi, że siła sprężyny w kierunku odrzutu jest równa odległości przesunięcia sprężyny od równowagi — innymi słowy, jak daleko została rozciągnięta — pomnożona przez stałą matematyczną, sztywność sprężyny. Sprężyna cofa się w kierunku przeciwnym do tego, w którym została naciągnięta. Ponieważ w ten sposób zachowuje się wiele materiałów elastycznych, prawo Hooke’a ma szerokie zastosowanie w dziedzinie fizyki.

Prawo Hooke’a nie ma zastosowania do sprężyn o stałej sile, ponieważ ich siła odrzutu pozostaje stała w całym zakresie ich ruchu. Osiąga się to dzięki ich unikalnej konstrukcji fizycznej, która składa się z cienkiej, zwiniętej wstęgi stali. Sprężyny o stałej sile znajdują się w stanie rozluźnienia, gdy są całkowicie zwinięte, i zostają naładowane siłą, gdy są częściowo lub całkowicie rozwinięte. Po zwolnieniu sprężyna cofa się, pociągając rozciągniętą wstążkę z powrotem do ciasnej rolki. Ponieważ siła odrzutu pochodzi głównie z części znajdującej się najbliżej zwiniętej rolki, utrzymywana jest stała siła.

Powszechne zastosowanie sprężyny o stałej sile można zaobserwować w taśmach mierniczych stosowanych w gospodarstwach domowych i budownictwie. Typowy mechanizm taśmy mierniczej składa się z cienkiej metalowej taśmy owiniętej wokół wewnętrznego bębna w plastikowej obudowie. Kiedy taśma pomiarowa jest wyciągnięta i zablokowana, siła jest przekazywana na sprężynę. Po zwolnieniu blokady taśma automatycznie chowa się z powrotem do plastikowej obudowy. To cofanie uzyskuje się dzięki odrzutowi rolki, która działa jak sprężyna o stałej sile.

Wiele innych urządzeń wyposażonych w automatyczne cofanie również wykorzystuje sprężynę o stałej sile. Niektóre przykłady obejmują samochodowe pasy bezpieczeństwa, przeciwwagi okienne, rozkładane fotele i zszywacze. We wszystkich tych zastosowaniach urządzenie wytwarzające siłę musi być spójne, zachowując się za każdym razem w ten sam sposób, działając na małej przestrzeni. Sprężyny o stałej sile spełniają oba te warunki, ponieważ wywierają stałą siłę i mogą być również ciasno zwinięte, dopasowując dużą długość wstęgi do niewielkiego obszaru.