胡克定律

胡克定律

物理定律
胡克定律(Hooke's law),又譯為虎克定律,是力學彈性理論中的一條基本定律,表述為:固體材料受力之後,材料中的應力與應變(單位變形量)之間成線性關系。滿足胡克定律的材料稱為線彈性或胡克型(英文Hookean)材料。
  • 中文名:胡克定律
  • 外文名:Hookelaw
  • 别名:
  • 表達式:F=k·x或△F=k·Δx
  • 提出者:胡克
  • 适用領域:
  • 别稱:彈性定律
  • 應用學科:物理學,力學
  • 适用領域範圍:現實世界中複雜的非線性現象

定律定義

胡克定律(彈性定律),是胡克最重要發現之一,也是力學的最重要基本定律之一。在現代,仍然是物理學的重要基本理論。胡克的彈性定律指出:彈簧在發生彈性形變時,彈簧的彈力Ff和彈簧的伸長量(或壓縮量)x成正比,即F=-k·x。k是物質的彈性系數,它由材料的性質所決定,負号表示彈簧所産生的彈力與其伸長(或壓縮)的方向相反。

為了證實這一定律,胡克還做了大量實驗,制作了各種材料構成的各種形狀的彈性體。

滿足胡克定律的彈性體是一個重要的物理理論模型,它是對現實世界中複雜的非線性本構關系的線性簡化,而實踐又證明了它在一定程度上是有效的。然而現實中也存在這大量不滿足胡克定律的實例。胡克定律的重要意義不隻在于它描述了彈性體形變與力的關系,更在于它開創了一種研究的重要方法:将現實世界中複雜的非線性現象作線性簡化,這種方法的使用在理論物理學中是數見不鮮的。

胡克定律又可表示為:

Fn∕S=E·(△l∕l。)

式中比例系數E成為彈性模量,也成為楊氏模量,由于△l∕l。為純數,故彈性模量和應力具有相同的單位,彈性模量是描寫材料本身的物理量,由上式可知,應力大而應變小,則彈性模量較大;反之,彈性模量較小。彈性模量反映材料對于拉伸或壓縮變形的抵抗能力,對于一定的材料來說,拉伸和壓縮量的彈性模量不同,但二者相差不多,這時可認為兩者相同,下表列出了幾種常見材料的彈性模量。

驗證推導

胡克定律的内容為:在材料的線彈性範圍内(見上圖的材料應力應變曲線的比例極限範圍内),固體的單向拉伸變形與所受的外力成正比;也可表述為:在應力低于比例極限的情況下,固體中的應力σ與應變ε成正比,即σ=Εε,式中E為常數,稱為彈性模量或楊氏模量。把胡克定律推廣應用于三向應力和應變狀态,則可得到廣義胡克定律。胡克定律為彈性力學的發展奠定了基礎。各向同性材料的廣義胡克定律有兩種常用的數學形式:

式中σij為應力分量;εij為應變分量(i,j=1,2,3);λ和G為拉梅常量,G又稱剪切模量。這些關系也可寫為:

E為彈性模量(或楊氏模量);v為泊松比。λ、G、E和v之間存在下列聯系:

式(1)适用于已知應變求應力的問題,式(2)适用于已知應力求應變的問題。

定理推廣

在線彈性階段,廣義胡克定律成立,也就是應力σ1<σp(σp為比例極限)時成立。在彈性範圍内不一定成立,σp<σ1<σe(σe為彈性極限),雖然在彈性範圍内,但廣義胡克定律不成立。

發展簡史

Hookelaw

材料力學和彈性力學的基本規律之一。由R.胡克于1678年提出而得名。胡克定律的内容為:在材料的線彈性範圍内,固體的單向拉伸變形與所受的外力成正比;也可表述為:在應力低于比例極限的情況下,固體中的應力σ與應變ε成正比,即σ=Εε,式中E為常數,稱為彈性模量或楊氏模量。把胡克定律推廣應用于三向應力和應變狀态,則可得到廣義胡克定律。胡克定律為彈性力學的發展奠定了基礎。各向同性材料的廣義胡克定律有兩種常用的數學形式:

σ11=λ(ε11+ε22+ε33)+2Gε11,σ23=2Gε23,

σ22=λ(ε11+ε22+ε33)+2Gε22,σ31=2Gε31,(1)

σ33=λ(ε11+ε22+ε33)+2Gε33,σ12=2Gε12,及式中σij為應力分量;εij為應變分量(i,j=1,2,3);λ和G為拉梅常量,G又稱剪切模量;E為彈性模量(或楊氏模量);v為泊松比。λ、G、E和v之間存在下列聯系:式(1)适用于已知應變求應力的問題,式(2)适用于已知應力求應變的問題。

彈簧的串并聯問題

串聯:勁度系數關系1/k=1/k1+1/k2

并聯:勁度系數關系k=k1+k2

注:彈簧越串越軟,越并越硬,與彈簧各自長度無關。

鄭玄-胡克定律

它是由英國力學家胡克(Robert Hooke, 1635-1703) 于1678年發現的,實際上早于他1500年前,東漢的經學家和教育家鄭玄(公元127-200)為《考工記·馬人》一文的“量其力,有三鈞”一句作注解中寫到:“假設弓力勝三石,引之中三尺,馳其弦,以繩緩擐之,每加物一石,則張一尺。”以正确地提示了力與形變成正比的關系,鄭玄的發現要比胡克要早一千五百年.因此胡克定律應稱之為“鄭玄——胡克定律。”

定律影響

胡克的發現直接導緻了彈簧測力計———測量力的基本工具的誕生,并且直到今天的物理實驗室還在廣泛使用。彈簧測力計的原理也即是“胡克定律”。

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