• 胡克定律

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    胡克定律

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    在物理學中,胡克定律是一個經驗法則,它指出將彈簧拉伸或壓縮一定距離 (x) 所需的力 (F) 與該距離成線性比例關系,即 Fs = kx,其中 k 是 a 彈簧的常數因子特性(即其剛度),并且 x 與彈簧的總可能變形相比較小。

    胡克方程在彈性體變形的許多其他情況下(在某種程度上)成立,例如風吹過高樓,音樂家撥動吉他弦。 可以假設該方程的彈性體或材料被稱為線性彈性或胡克。

    胡克定律只是彈簧和其他彈性體對所施加力的真實響應的一階線性近似。 一旦力超過某個極限,它最終肯定會失效,因為沒有任何材料可以被壓縮超過某個最小尺寸,或被拉伸超過xxx尺寸,而不會發生一些xxx變形或狀態變化。 在達到這些彈性極限之前,許多材料會明顯偏離胡克定律。

    另一方面,只要力和變形足夠小,胡克定律是大多數固體的精確近似。 正因如此,胡克定律被廣泛應用于科學和工程的各個分支,是地震學分子力學聲學等許多學科的基礎。 它也是彈簧秤、壓力計、檢流計和機械擺輪背后的基本原理。

    現代彈性理論將胡克定律概括為:彈性物體或材料的應變(變形)與施加在其上的應力成正比。 然而,由于一般的應力和應變可能有多個獨立的分量,比例因子可能不再只是一個單一的實數,而是一個可以用實數矩陣表示的線性映射(張量)。

    在這種一般形式下,胡克定律可以根據構成復雜物體的材料的內在特性來推斷其應變和應力之間的關系。 例如,可以推斷出具有均勻橫截面的均質桿在拉伸時將表現得像一個簡單的彈簧,其剛度 k 與其橫截面積成正比,與其長度成反比。

    正式定義

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    對于線性彈簧

    考慮一個簡單的螺旋彈簧,它的一端連接到某個固定物體,而自由端被一個大小為 Fs 的力拉動。 假設彈簧已達到平衡狀態,其長度不再變化。 令 x 為彈簧自由端從其松弛位置(未拉伸時)的位移量。 此外,當彈簧被壓縮時,同樣的公式成立,此時 Fs 和 x 均為負值。 根據這個公式,施加的力 Fs 作為位移 x 的函數的圖形將是一條通過原點的直線,其斜率為 k。

    胡克定律

    彈簧的胡克定律有時(但很少)根據約定說明 Fs 是彈簧施加在拉動其自由端的任何物體上的恢復力。

    一般標量彈簧

    胡克彈簧定律通常適用于任何具有任意復雜性的彈性物體,只要變形和應力都可以用一個既可以是正數也可以是負數的數字來表示。

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    詞條目錄
    1. 胡克定律
    2. 正式定義
    3. 對于線性彈簧
    4. 一般標量彈簧

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