欢迎您访问科普小知识本站旨在为大家提供日常生活中常见的科普小知识,以及科普文章!
您现在的位置是:首页  > 科普文章

胡克定律

科普小知识2022-02-27 10:27:03
...

胡克定律,曾译为虎克定律,是力学弹性理论中的一条基本定律,表述为:固体材料受力之后,材料中的应力与应变(单位变形量)之间成线性关系。满足胡克定律的材料称为线弹性或胡克型(英文Hookean)材料。从物理的角度看,胡克定律源于多数固体(或孤立分子)内部的原子在无外载作用下处于稳定平衡的状态。许多实际材料,如一根长度为L、横截面积A的棱柱形棒,在力学上都可以用胡克定律来模拟——其单位伸长(或缩减)量(应变)在常系数E(称为弹性模量)下,与拉(或压)应力σ成正比例,即:F=-k·x或△F=-k·Δx其中为总伸长(或缩减)量。胡克定律用17世纪英国物理学家罗伯特·胡克的名字命名。胡克提出该定律的过程颇有趣味,他于1676年发表了一句拉丁语字谜,谜面是:ceiiinosssttuv。两年后他公布了谜底是:uttensiosicvis,意思是“力如伸长(那样变化)”,这正是胡克定律的中心内容。

中文名:胡克定律

外文名:Hooke'slaw

别称:弹性定律

表达式:F=-k·x或△F=-k·Δx

提出者:英国科学家胡克(Hooke)

提出时间:1678年

应用学科:物理学,力学

适用领域范围:现实世界中复杂的非线性现象

1、定律定义

胡克定律由R.胡克于1678年提出,表达式为F=-k·x或△F=-k·Δx,其中k是常数,是物体的劲度系数(倔强系数)(弹性系数)。在国际单位制中,F的单位是牛,x的单位是米,它是形变量(弹性形变),k的单位是牛/米。劲度系数在数值上等于弹簧伸长(或缩短)单位长度时的弹力。


胡克定律的推论

胡克的弹性定律指出:弹簧在发生弹性形变时,弹簧的弹力F和弹簧的伸长量(或压缩量)x成正比,即F=k·x。k是物质的弹性系数,它只由材料的性质所决定,与其他因素无关。负号表示弹簧所产生的弹力与其伸长(或压缩)的方向相反。

满足胡克定律的弹性体是一个重要的物理理论模型,它是对现实世界中复杂的非线性本构关系的线性简化,而实践又证明了它在一定程度上是有效的。然而现实中也存在这大量不满足胡克定律的实例。胡克定律的重要意义不只在于它描述了弹性体形变与力的关系,更在于它开创了一种研究的重要方法:将现实世界中复杂的非线性现象作线性简化,这种方法的使用在理论物理学中是数见不鲜的。

Fn∕S=E·(Δl∕l。)

2、广义胡克定理


应力应变曲线


式中σij为应力分量;εij为应变分量(i,j=1,2,3);λ和G为拉梅常量,G又称剪切模量。这些关系也可写为:


E为弹性模量(或杨氏模量);v为泊松比。λ、G、E和v之间存在下列联系:


式(1)适用于已知应变求应力的问题,式(2)适用于已知应力求应变的问题。

3、适用范围

在线弹性阶段,广义胡克定律成立,也就是应力σ1<σp(σp为比例极限)时成立。在弹性范围内不一定成立,σp<σ1<σe(σe为弹性极限),虽然在弹性范围内,但广义胡克定律不成立。

4、发展简史

起初,胡克在做实验的过程中,发现“弹簧上所加重量的大小与弹簧的伸长量成正比”,他又通过多次实验验证自己的猜想。1678年,胡克写了一篇《弹簧》论文,向人们介绍了对弹性物体实验的结果,为材料力学和弹性力学的发展奠定了基础。


弹簧测力计

19世纪初,在前者做了不少实验工作的前提下,英国科学家托马斯·杨总结了胡克等人的研究成果,指出:如果弹性体的伸长量超过一定限度,材料就会断裂,弹性力定律就不再适用了,明确地指出弹性力定律的适用范围。(超出该适用范围的形变就叫做范性形变)

至此,经过许多科学家的辛勤劳动,终于准确地确立了物体的弹性力定律。后人为纪念胡克的开创性工作和取得的成果,便把这个定律叫做胡克定律。

胡克定律是由英国力学家胡克(RobertHooke,1635-1703)于1678年发现的,胡克提出该定律的过程颇有趣味,他于1676年发表了一句拉丁语字谜,谜面是:ceiiinosssttuv。两年后他公布了谜底是:uttensiosicvis,意思是“力如伸长(那样变化)”,这正是胡克定律的中心内容。实际上早于他1500年前,东汉的经学家和教育家郑玄(公元127-200)为《考工记·马人》一文的“量其力,有三钧”一句作注解中写到:“假设弓力胜三石,引之中三尺,驰其弦,以绳缓擐之,每加物一石,则张一尺。”,正确地提示了力与形变成正比的关系,而郑玄的发现要比胡克要早一千五百年。因此有物理学家认为胡克定律应称之为“郑玄-胡克定律”。

5、定律影响

胡克的发现直接导致了弹簧测力计———测量力的基本工具的诞生,并且直到今天的物理实验室还在广泛使用。弹簧测力计的原理也即是“胡克定律”。

6、扩展阅读

几种常见材料的弹性模量

材料

绿石英

混凝土

玻璃

花岗石

松木(平行于纹理)

E∕10^10Pa

7.0

9.1

2.0

11

5.5

4.5

19

1.6

1.0

胡克定律的张量形式

若要对处于三维应力状态下的材料进行描述.需要定义一个包含81个弹性常数的四阶张量cijkl以联系二阶应力张量σij和应变张量(又称格林张量)εkl。

由于应力张量.应变张量和弹性系数张量存在对称性(应力张量的对称性就是材料力学中的剪应力互等定理).81个弹性常数中对于最一般的材料也只有21个是独立的.

由于应力的单位量纲(力/面积)与压强相同.而应变是无量纲的.所以弹性常数张量cijkl中每一个元素(分量)都具有压强的量纲.对于固体材料大变形力学行为的描述需要用到新胡克型固体模型(neo-hookeansolids)和mooney-rivlin型固体模型

弹簧方程

胡克定律能精确地描述普通弹簧在变形不太大时的力学行为。胡克定律应用的一个常见例子是弹簧.在弹性限度内.弹簧的弹力f和弹簧的长度变化量x成线性关系.即: f=.kx


式中k是弹簧的劲度系数(或称为倔强系数).它由弹簧材料的性质和几何外形所决定.负号表示弹簧所产生的弹力与其伸长(或压缩)的方向相反.这种弹力称为回复力.表示它有使系统回复平衡的趋势.满足上式的弹簧称为线性弹簧.

上一篇:谐振电路

下一篇:诺贝尔物理学奖

推荐阅读