زنبرك (جهاز)

يمكن تصنيف النوابض حسب كيفية تطبيق قوة الحمل عليها.

زنبرك الشد/التمديد

تم تصميم الزنبرك ليعمل تحت تأثير حمل الشد ، لذلك يتمدد الزنبرك عند تطبيق الحمل عليه.

نوابض لولبية مصممة للشد.

نوابض شد في جهاز صدى خطي مطوي.

زنبرك ضغط

صُممت للعمل مع حمل ضغط ، لذا يصبح الزنبرك أقصر كلما تم تطبيق الحمل عليه.

زنبرك الالتواء

بخلاف الأنواع المذكورة أعلاه حيث يكون الحمل قوة محورية، فإن الحمل المطبق على نابض الالتواء هو عزم دوران أو قوة التواء، وتدور نهاية النابض بزاوية معينة عند تطبيق الحمل. ^{[ 7 ]} يُستخدم هذا النوع غالبًا في أنظمة تعليق المركبات ذات قضبان الالتواء .

توجد طرق أخرى عديدة لتصنيف النوابض وتصنيفها الفرعي، مثل شكلها - فالنوابض الحلزونية شائعة، وكذلك النوابض الورقية ، على سبيل المثال. أما نوابض الرباط فهي نوابض مقوسة مصممة بشكل قوس محدد؛ وكلاهما يُصنع عادةً عن طريق ثني نابض حلزوني إلى وضعية معينة.

أكثر أنواع الينابيع شيوعاً هي:

زنبرك التوازن

يُعرف أيضاً باسم زنبرك الشعر. وهو زنبرك حلزوني دقيق يُستخدم في الساعات ، وأجهزة قياس التيار الكهربائي ، والأماكن التي يجب فيها نقل الكهرباء إلى الأجهزة الدوارة جزئياً مثل عجلات القيادة دون إعاقة الدوران.

زنبرك ناتئ

زنبرك مسطح مثبت من طرف واحد فقط مثل الكابولي ، بينما يتحمل الطرف المعلق بحرية الحمل.

زنبرك لولبي

يُعرف أيضًا باسم الزنبرك الحلزوني. الزنبرك (المصنوع عن طريق لف سلك حول أسطوانة) نوعان.

• صُممت نوابض الشد أو التمديد لتصبح أطول تحت الحمل. عادةً ما تتلامس لفاتها (حلقاتها) في وضع عدم التحميل، ولها خطاف أو عروة أو أي وسيلة أخرى للتثبيت في كل طرف.
• صُممت نوابض الضغط لتصبح أقصر عند تحميلها. ولا تتلامس لفاتها (حلقاتها) في وضع عدم التحميل، ولا تحتاج إلى نقاط تثبيت.

زنبرك القوس

زنبرك ضغط حلزوني (ملفوف) منحني مسبقًا أو على شكل قوس، قادر على نقل عزم الدوران حول محور.

زنبرك الرباط

زنبرك قوسي يكون فيه القوس دائرة كاملة. يمكن أن تكون هذه الزنبركات ضاغطة أو زنبركات تمدد.

زنبرك حلزوني

نابض حلزوني . تحت الضغط، تنزلق اللفات فوق بعضها البعض لتوفير مسافة حركة أطول.

نوابض حلزونية رأسية لخزان ستيوارت

زنبرك لولبي على شكل مخروط بحيث لا يتم إجبار اللفائف على بعضها البعض تحت الضغط، مما يسمح بمدى حركة أطول.

زنبرك أنبوبي مجوف

يمكن أن تكون هذه النوابض إما نوابض شد أو نوابض ضغط. تُملأ الأنابيب المجوفة بالزيت، وتُستخدم وسائل لتغيير الضغط الهيدروستاتيكي داخلها، مثل غشاء أو مكبس صغير، لتصلب النابض أو إرخائه، تمامًا كما يحدث مع ضغط الماء داخل خرطوم الحديقة. كما يُختار شكل المقطع العرضي للأنبوب بحيث تتغير مساحته عند تعرضه لتشوه التوائي: يُترجم تغير مساحة المقطع العرضي إلى تغير في حجم الأنبوب الداخلي وتدفق الزيت داخل/خارج النابض، والذي يمكن التحكم فيه بواسطة صمام، وبالتالي التحكم في صلابته. توجد العديد من التصاميم الأخرى لنوابض الأنابيب المجوفة التي يمكنها تغيير صلابتها بأي تردد مطلوب، أو تغيير صلابتها بمضاعفات، أو التحرك كمحرك خطي، بالإضافة إلى خصائصها النابضية.

ربيع الأوراق

زنبرك مسطح يستخدم في أنظمة تعليق المركبات والمفاتيح الكهربائية والأقواس .

زنبرك على شكل حرف V

يُعرف أيضًا باسم زنبرك شيفرون. ^{[ 8 ] [ 9 ]} يُستخدم في آليات الأسلحة النارية القديمة مثل أقفال العجلة ، وأقفال الصوان، وأقفال كبسولة الإشعال . كما يُستخدم كزنبرك لأقفال الأبواب، كما هو الحال في آليات مزلاج الأبواب القديمة. ^{[ 10 ]}

• 
  زنبرك الالتواء الحلزوني، أو زنبرك الشعر ، في ساعة المنبه .
• 
  زنبرك لولبي شديد التحمل مصمم للضغط
• 
  القوس الإنجليزي الطويل - وهو قوس بسيط ولكنه قوي للغاية مصنوع من خشب الطقسوس ، ويبلغ طوله مترين (6 أقدام و7 بوصات) ، مع وزن سحب يبلغ 470 نيوتن (105 رطل) ، حيث يعمل كل طرف كزنبرك ناتئ، ويعمل القوس بأكمله كزنبرك قوس تمديد .     
• 
  اختيار أنواع مختلفة من النوابض القوسية وأنظمة النوابض القوسية (الأنظمة التي تتكون من نوابض قوسية داخلية وخارجية).
• 
  نوابض ورقية في شاحنة

وتشمل الأنواع الأخرى ما يلي:

غسالة بيلفيل

زنبرك قرصي الشكل يُستخدم عادةً لتطبيق الشد على مسمار (وأيضًا في آلية بدء الألغام الأرضية التي يتم تنشيطها بالضغط )

نابض ذو قوة ثابتة

شريط ملفوف بإحكام يمارس قوة ثابتة تقريبًا أثناء فرده.

نابض غازي

حجم من الغاز المضغوط.

ربيع مثالي

نابض مثالي مثالي بلا وزن أو كتلة أو فقدان للتخميد أو حدود، وهو مفهوم يُستخدم في الفيزياء. القوة التي يبذلها النابض المثالي تتناسب طرديًا مع استطالته أو انضغاطه. ^{[ 11 ]}

الزنبرك الرئيسي

زنبرك حلزوني الشكل يُستخدم كمخزن طاقة لآليات الساعة : الساعات ، وصناديق الموسيقى ، والألعاب التي تعمل بالزنبرك ، والمصابيح اليدوية التي تعمل بالميكانيكا.

زنبرك نيغيتور

شريط معدني رقيق ذو مقطع عرضي مقعر قليلاً. عند لفه، يصبح مقطعه العرضي مسطحًا، ولكن عند فرده يعود إلى انحنائه السابق، مما يُنتج قوة ثابتة طوال عملية اللف ويمنع أي ميل للالتفاف مجددًا. يُعدّ شريط القياس الفولاذي القابل للسحب من أكثر تطبيقاته شيوعًا. ^{[ 12 ]}

نوابض لولبية متدرجة المعدل

زنبرك لولبي ذو معدل متغير، يتم تحقيقه عادةً عن طريق وجود مسافة غير متساوية بين اللفات بحيث عندما يتم ضغط الزنبرك، تستقر لفة واحدة أو أكثر على اللفة المجاورة لها.

شريط مطاطي

زنبرك شد يتم فيه تخزين الطاقة عن طريق شد المادة.

غسالة زنبركية

يستخدم لتطبيق قوة شد ثابتة على طول محور أداة التثبيت .

موجة الربيع

أنواع مختلفة من النوابض المضغوطة باستخدام الأمواج لإعطاء تأثير الزنبرك.

يعمل الزنبرك المثالي وفقًا لقانون هوك، الذي ينص على أن القوة التي يدفع بها الزنبرك للخلف تتناسب طرديًا مع المسافة من طوله عند التوازن: $${\displaystyle F=-kx}$$ أين

يمثل x متجه الإزاحة - المسافة من طول التوازن.

F هو متجه القوة المحصلة - مقدار واتجاه قوة الاستعادة التي يبذلها الزنبرك

k هو ثابت معدل أو ثابت الزنبرك أو ثابت القوة للزنبرك، وهو ثابت يعتمد على مادة الزنبرك وبنيته. تشير الإشارة السالبة إلى أن القوة التي يبذلها الزنبرك تكون في الاتجاه المعاكس لإزاحته.

تتبع معظم النوابض الحقيقية قانون هوك تقريبًا إذا لم يتم شدها أو ضغطها بما يتجاوز حد مرونتها .

تخضع النوابض الحلزونية وغيرها من النوابض الشائعة عادةً لقانون هوك. لكن توجد نوابض مفيدة لا تخضع لهذا القانون: فالنوابض التي تعتمد على انحناء العوارض، على سبيل المثال، يمكنها توليد قوى تتغير بشكل غير خطي مع الإزاحة.

إذا صُنعت النوابض المخروطية بسلك ذي سماكة ثابتة، فإن معدل تمددها أو انكماشها يكون متغيراً. مع ذلك، يمكن جعل معدل تمدد النابض المخروطي ثابتاً عن طريق تصنيعه بسلك ذي سماكة متغيرة. فزيادة سماكة السلك في اللفات ذات القطر الأكبر، وتقليلها في اللفات ذات القطر الأصغر، يجبر النابض على الانضغاط أو التمدد في جميع اللفات بنفس المعدل عند تعرضه للتشوه.

بما أن القوة تساوي الكتلة ( m ) مضروبة في التسارع ( a) ، فإن معادلة القوة لنابض يخضع لقانون μ تبدو كالتالي:

${\displaystyle F=ma\quad \Rightarrow \quad -kx=ma.\,}$

كتلة الزنبرك صغيرة مقارنة بكتلة الجسم المتصل بها، لذا يمكن إهمالها. وبما أن التسارع هو ببساطة المشتقة الثانية لـ x بالنسبة للزمن،

${\displaystyle -kx=m{\frac {d^{2}x}{dt^{2}}}.\,}$

هذه معادلة تفاضلية خطية من الدرجة الثانية للإزاحة${\displaystyle x}$كدالة للزمن. إعادة الترتيب:

${\displaystyle {\frac {d^{2}x}{dt^{2}}}+{\frac {k}{m}}x=0,\,}$

حلها هو مجموع دالة الجيب ودالة جيب التمام :

${\displaystyle x(t)=A\sin \left(t{\sqrt {\frac {k}{m}}}\right)+B\cos \left(t{\sqrt {\frac {k}{m}}}\right).\,}$

${\displaystyle A}$و${\displaystyle B}$هي ثوابت اختيارية يمكن إيجادها من خلال النظر في الإزاحة والسرعة الابتدائيتين للكتلة. رسم بياني لهذه الدالة مع${\displaystyle B=0}$(موضع ابتدائي صفري مع سرعة ابتدائية موجبة) يظهر في الصورة على اليمين.

في الحركة التوافقية البسيطة لنظام كتلة-نابض، تتذبذب الطاقة بين الطاقة الحركية والطاقة الكامنة ، لكن الطاقة الكلية للنظام تبقى ثابتة. نابض يخضع لقانون هوك بثابت نابض k ستكون طاقته الكلية E مساوية لما يلي: ^{[ 13 ]}$${\displaystyle E=\left({\frac {1}{2}}\right)kA^{2}}$$ هنا، A هي سعة الحركة الشبيهة بالموجة التي تنتجها السلوكيات المتذبذبة للنابض.

يمكن تحديد طاقة الوضع U لمثل هذا النظام من خلال ثابت الزنبرك k وإزاحته x : ^{[ 13 ]}$${\displaystyle U=\left({\frac {1}{2}}\right)kx^{2}}$$يمكن إيجاد الطاقة الحركية K لجسم في حركة توافقية بسيطة باستخدام كتلة الجسم المتصل m والسرعة التي ^يتذبذب بها الجسم v : [ ^{13 ]}$${\displaystyle K=\left({\frac {1}{2}}\right)mv^{2}}$$ بما أنه لا يوجد فقد للطاقة في مثل هذا النظام، فإن الطاقة محفوظة دائمًا، وبالتالي: ^{[ 13 ]}$${\displaystyle E=K+U}$$

يتم إيجاد التردد الزاوي ω لجسم في حركة توافقية بسيطة، معطى بالراديان في الثانية، باستخدام ثابت الزنبرك k وكتلة الجسم المتذبذب m : ^{[ 14 ] [ 13 ]}

$${\displaystyle \omega ={\sqrt {\frac {k}{m}}}}$$

الفترة T ، وهي مقدار الوقت اللازم لنظام الكتلة والنابض لإكمال دورة كاملة واحدة، لهذه الحركة التوافقية يتم إعطاؤها بواسطة: ^{[ 15 ] [ 13 ]}

$${\displaystyle T={\frac {2\pi }{\omega }}=2\pi {\sqrt {\frac {m}{k}}}}$$

يتم إيجاد التردد f ، وهو عدد التذبذبات لكل وحدة زمنية، لشيء ما في حركة توافقية بسيطة عن طريق أخذ معكوس الدورة: ^{[ 13 ]}

$${\displaystyle f={\frac {1}{T}}={\frac {\omega }{2\pi }}={\frac {\sqrt {k}}{2\pi {\sqrt {m}}}}}$$