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胡克定律

2020-01-22 19:17:45 作者 : admin 来源 : 本站

胡克定律最初是通过观察钟表中弹簧的伸缩发现的,该定律描述了材料受力时的变形情况。弹性材料的伸缩与其所受的力成正比。罗伯特•胡克是一位多产的科学家,对建筑学和科学均有贡献,不过奇怪的是他为人所知更多的是通过胡克定律。而胡克定律本身也正是跨越了诸多学科领域,在工程学、建筑学和材料科学中均有应用。

当你用瑞士手表看时间的时候,就要用到胡克定律了。作为17世纪英国的一位博学的大师,胡克不仅发明了钟表中的平衡弹簧和擒纵机构,而且建成了精神病院,给出了生物学领域细胞的命名。他不但是一位数学家,更是一位实验学家。他组织了伦敦皇家学会的科学演示,发明了多种装置。在研究弹簧的过程中他发现了胡克定律,即弹簧的伸长量与其受到的拉力成正比。因此,用2倍的拉力拉弹簧,其伸长量将变为之前的2倍。

弹性遵守胡克定律的材料称为“弹性”材料。弹性材料在外力消失后会恢复到原来的形状,也就是说,弹性材料的伸缩是可逆的。橡胶带和硬钢丝弹簧就是弹性材料,口香糖则不是。当拉口香糖时,它会伸长;但拉力消失后,口香糖还是保持伸长状态。许多材料在一定的受力范围内都会表现出弹性,但若拉力太大,材料就会裂开或者失妓。其他一些太硬或者太柔软的材料,不能称为弹性材料,例如陶瓷或黏土。

根据胡克定律,弹性材料要伸长一定长度所需的力总是一定的,特定的力的大小取决于材料的弹性(弹性模量)。弹性材料伸长所需的力较大。高弹性材料包括坚硬的物质,例如金刚石、碳化磋和钨。低弹性的材料有铝合金和木头。

我们将材料的伸长称为应变。应变的定义是材料因为拉伸而伸长的百分数。(单位面积上)施加的力称为应力。应力和应变的比值称为弹性模量。许多材料,包括钢铁、碳纤维甚至玻璃,都具有恒定不变的弹性模量(针对较小的应变),因而遵守胡克定律。设计建筑时,建筑师和工程师要考虑这些属性,保证在负载较大时,建筑不会伸长或扭曲。

回弹会用到胡克定律的其实不只有工程师。每年成千上万的背包族都会尝试蹦极跳——从固定着弹力绳的平台上跳起来,此时也要用到胡克定律。胡克定律告诉跳跃者弹力绳在受体重作用后伸缩的长度。因为身体的头部是向下朝向峡谷的,所以要在头部撞上峡谷之前弹回。这样,就要求一定要事先计算准确,并采用长度合适的绳子。蹦极跳作为一项运动而出现,显然应归功于最初看到电视画面后受到启发的一些胆大的英国人。电视上的节目中,大洋洲瓦努阿图的土著人为了比赛谁最勇敢,在脚踝上系上葡萄藤,从高处跳下。那些英国人在1979年从布里斯托尔的克利夫顿悬索桥跳下潜水。跳水者随后被逮捕,不过他们被释放后还是继续跳水不止,并把这种运动传播到世界各地。现在,蹦极已成为一项商业化的运动项目。

经度旅行者也要靠胡克定律帮助自己定位。测量南北纬度是很容易的——通过测量天空中太阳和恒星的高度就可以计算出来,但是要测出地球的东西经度就困难得多了。17世纪和18世纪初期,水手在海上随时面I临着生命危险,就是因为无法定位。于是,英国政府悬赏2万英镑解决经度测量这一技术难题,2万英镑的数目在当时已经是相当可观的了。因为存在时差的问题.所以从地球的东部到西部,通过比较当前位置的海上时间(例如中午)与另一个已知地点的时间(例如伦敦格林尼治时间),就可以知道经度。因为世界各地的时间都是相对格林尼治天文台来确定的,所以格林尼治所在的经线就被确定为0度经线,而当地时间称为格林尼治标准时间。这当然很好,但问题是在大西洋中部怎么能知道格林尼治时间呢?现在如果你要从伦敦飞到纽约,只需带上一只表,把表设置成伦敦时间就行了,但在18世纪初期,事情可没这么简单。当时的钟表技术没有现在这么先进,最准确的带有计时器的钟摆,因为船只的晃动,也无法发挥作用。后来伦敦的一位制表商约翰•哈里逊(John Harrison),发明了一种在滑锤上连接弹簧的方法,取代了晃动的钟摆。但在实际的海洋测试中,该方法的效果仍然不好。弹簧计时存在的问题是,弹簧的伸长量会随着温度的变化而变化。如果船只从热带航行到两极的话,这种装置就不行了。

哈里逊想出了一个新的办法。他在钟表上安装了一条双金属带,由两种不同的金属粘合而成。两种金属(如黄铜和钢)在受热时的伸长量不同,使金属带发生弯曲。这样就把温度的变化考虑到钟表设计中去了。哈里逊的新式钟表,被称作精密时计(chronometer),解决了经度的问题,赢得了现金大奖。

现在,哈里逊的4个实验钟表均位于伦敦的格林尼治天文台。前3个相当大,由黄铜制成,显示出复杂的弹簧平衡机制。这3个钟表做得很漂亮,看起来很不错。赢得现金奖的第4个钟表,设计比较紧凑,看起来比怀表略大一些。它虽然不是非常美观,却很准确。在石英电子表出现之前,类似的钟表在海上一直沿用多年。

胡克胡克因为获得了如此之多的成就,被称为伦敦的达芬奇。他是科学革命的关键人物,对包括天文学、生物学,甚至建筑学在内的许多科学领域均有贡献。他与牛顿有过著名的冲突,彼此之间积怨颇深。胡克不接受牛顿提出的光的颜色理论,这让牛顿很不高兴。胡克在万有引力的平方反比定律上的贡献也一直不被牛顿认可。

胡克取得了如此大的科学成就,却鲜力人知。这的确令人有些意外。他一生中没有留下任何一幅肖像。或许胡克定律就是对他本人创造力的最好见证。

关键词 : 定律