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胡克定律

为了证实这一定律,胡克还做了大量实验,制作了各种材料构成的各种形状的弹性体。
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。
胡克定律的表达式为F=k·x或△F=k·Δx,其中k是常数,是物体的劲度(倔强)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。
弹性定律是胡克最重要的发现之一,也是力学最重要基本定律之一。在现代,仍然是物理学的重要基本理论。胡克的弹性定律指出:弹簧在发生弹性形变时,弹簧的弹力Ff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,它由材料的性质所决定,负号表示弹簧所产生的弹力与其伸长(或压缩)的方向相反。
根据无初始应力的假设,(f 1)0应为零。对于均匀材料,材料性质与坐标
英国力学家胡克
无关,因此函数f 1对应变的一阶偏导数为常数。因此应力应变的一般关系表达式可以简化为
上述关系式是胡克(Hooke)定律在复杂应力条件下的推广,因此又称作广义胡克定律。
广义胡克定律中的系数Cmn(m,n=1,2,…,6)称为弹性常数,一共有36个。
胡克定律又可表示为:[1]
Fn∕S=E·(△l∕l。)
式中比例系数E成为弹性模量,也成为杨氏模量,由于△l∕l。为纯数,故弹性模量和应力具有相同的单位,弹性模量是描写材料本身的物理量,由上式可知,应力大而应变小,则弹性模量较大;反之,弹性模量较小。弹性模量反映材料对于拉伸或压缩变形的抵抗能力,对于一定的材料来说,拉伸和压缩量的弹性模量不同,但二者相差不多,这时可认为两者相同,下表列出了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
4.5191ຫໍສະໝຸດ 61.02历史证明
Hookelaw
材料力学和弹性力学的基本规律之一。由R.胡克于1678年提
胡克定律相关图表
出而得名。胡克定律的内容为:在材料的线弹性范围内,固体的单向拉伸变形与所受的外力成正比;也可表述为:在应力低于比例极限的情况下,固体中的应力σ与应变ε成正比,即σ=Εε,式中E为常数,称为弹性模量或杨氏模量。把胡克定律推广应用于三向应力和应变状态,则可得到广义胡克定律。胡克定律为弹性力学的发展奠定了基础。各向同性材料的广义胡克定律有两种常用的数学形式:
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;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。
弹簧的串并联问题
串联:劲度系数关系1/k=1/k1+1/k2
并联:劲度系数关系k=k1+k2
注:弹簧越串越软,越并越硬,与弹簧各自长度无关。
如果物体是非均匀材料构成的,物体内各点受力后将有不同的弹性效应,因此一般的讲,Cmn是坐标x,y,z的函数。
但是如果物体是由均匀材料构成的,那么物体内部各点,如果受同样的应力,将有相同的应变;反之,物体内各点如果有相同的应变,必承受同样的应力。
这一条件反映在广义胡克定理上,就是Cmn为弹性常数。
胡克的弹性定律指出:在弹性限度内,弹簧的弹力f和弹簧的长度变化量x成正比,即F= kx。k是物质的弹性系数,它由材料的性质所决定,负号表示弹簧所产生的弹力与其伸长(或压缩)的方向相反。
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