引入
为什么弹簧秤的刻度是均匀的?
为什么拉得越长越费力,而且不是线性增加“感觉”?
为什么弹性势能是 ,而不是 ?
胡克定律是“力与形变成正比”的最简单模型。它的价值不只是弹簧,还在于它给出了第一个可计算的势能形式,也是简谐振动的力学基础。
正文
定义
胡克定律:在弹性限度内,固体材料受力后,应力与应变成线性关系。对弹簧,回复力与形变量成正比:
为劲度系数,单位 ;负号表示回复力方向与形变方向相反。
适用条件
| 条件 | 说明 |
|---|---|
| 弹性限度内 | 超出后材料发生塑性形变,不再成正比 |
| 形变方向单一 | 拉伸或压缩,不同时发生弯曲 |
| 弹簧质量可忽略 | 否则需考虑弹簧自身的振动 |
“弹性限度”是关键限制。橡皮筋拉过头会松弛,就是超出了弹性限度。
弹簧串并联
| 连接方式 | 等效劲度系数 | 特点 |
|---|---|---|
| 串联 | 变软,等效 减小 | |
| 并联 | 变硬,等效 增大 |
串联时两弹簧受力相同、形变相加;并联时形变相同、受力相加。这个规律和电阻的串并联正好相反。
弹性势能
定义
弹簧因形变而储存的势能:
推导
如果力是恒力,功为 。但弹力 随位移线性变化,不能直接相乘。
画出 - 图像:
图线是一条过原点的直线,力从 线性增加到 。这个过程的平均力为
平均力乘以位移即得功,也就是储存的弹性势能:
用积分验证:
两种方法结果一致。图像法的优点是直观,能看出“为什么是二分之一”——三角形面积。
弹性势能的零点
通常取弹簧原长处为势能零点。此时:
- 拉伸 :
- 压缩 :
势能恒为正,这与重力势能可以取负值不同。原因是弹力总指向平衡位置,偏离越远势能越高。
与简谐振动的联系
所以胡克定律是简谐振动的力学来源。不是所有振动都服从胡克定律,但服从胡克定律的振动一定是简谐振动。
引出
超出弹性限度后,力与形变的关系如何描述?
为什么弹簧的等效劲度系数在串联时减小、并联时增大?
弹性势能与重力势能在零点选择上有什么本质差别?