קפיץ

קפיץ הוא עצם גמיש המשמש לאגירת אנרגיה מכנית באמצעות אנרגיה פוטנציאלית אלסטית. בפיזיקה, ובפרט במכניקה מקובל להשתמש במונח "קפיץ" כדי לציין פוטנציאל "אידיאלי" שמקיים את חוק הוק ביחס לכל העתק שהוא ממצב שיווי המשקל. בפועל, קפיצים אמיתיים מקיימים את חוק הוק רק בקירוב (עבור מתיחות קטנות). לקפיץ שימושים רבים בהנדסה ובפרט בהנדסת מכונות.

סוגי קפיצים

סוגי הקפיצים הנפוצים ביותר הם:

קפיצים מפותלים המתנגדים לתנועה פיתולית. ביניהם, קפיץ סלילי לולייני (המיוצר על ידי ליפוף תיל מסביב לגליל) וקפיץ חרוטי, שכן התיל עצמו מתפתל כאשר הקפיץ נדחס או נמתח.
קפיץ עלים (שכבות) – קבוצה של משטחים צרים וקפיציים האגודים יחד, כך שהקבוצה כולה יכולה להתכופף ולהתיישר בכיוון אחד, תוך שהמשטחים מחליקים מעט אחד על-גבי השני. החלקת המשטחים ממירה חלק מהאנרגיה ההרמונית לכדי חיכוך וכך מבנה "קפיץ העלים" משכך את התנועה ההרמונית של הכיפוף-ישור והתנועה נבלמת. "קפיץ עלים" משמש במתלי מכוניות, מתגים אלקטרוניים וקשתות.
קפיץ ספירלי – תיל ישר המתנגד לתנועה סיבובית, כמו קפיץ מפותל. משמש בשעונים ובגלוונומטר (מכשיר למדידת זרמים חשמליים).
קפיץ תומכה – קפיץ (לרוב משטח שטוח) המקובע בצידו האחד בלבד.

סוגים אחרים:

גז לכוד דחוס.
גומייה – האנרגיה נאגרת כאשר החומר נמתח.

תאוריה

בפיזיקה הקלאסית, ניתן לראות בקפיץ מתקן האוגר אנרגיה פוטנציאלית באמצעות מתיחת הקשרים שבין אטומי החומר האלסטי.

חוק הוק העוסק באלסטיות קובע כי תוספת ההארכה של גוף אלסטי (האורך במצב מתוח פחות האורך במצב רפוי) יחסי באופן ליניארי למתיחות או לכוח המשמש למתיחת הגוף. באופן דומה, תוספת ההצטמצמות (תוספת ההארכה שלילית) יחסי לכוח הדחיסה (מתיחות שלילית).

חוק זה לא מתקיים תמיד, אלא רק כאשר התוספת (בין אם שלילית או חיובית) קטנה יחסית לאורך הכולל של הגוף. תוספות שאורכן גדול מגבול האלסטיות, שוברות את קשרי האטומים או מסדרות אותן מחדש, ויכולות לשבור את הקפיץ או לעוות אותו לצמיתות. לחומרים רבים אין גבול אלסטי מוגדר ולכן לא ניתן להשתמש בחוק הוק בצורה משמעותית בהתייחס לחומרים אלו.

למעשה, במונחים של אנרגיה חוק הוק הוא קירוב הרמוני של האנרגיה הפוטנציאלית של הקפיץ עבור הפרעות קטנות ("קירוב תנודות קטנות"). זהו קירוב בו מפתחים את האנרגיה הפוטנציאלית של הקפיץ סביב מצב שיווי המשקל שלו. כלומר: אם בנקודה $\ x_{0}$ הקפיץ נמצא בשיווי משקל (אנרגיה פוטנציאלית מינימלית), אזי בקירוב חוק הוק, האנרגיה הפוטנציאלית שלו כתלות במרחק מנקודת שיווי המשקל יהיה