胡克定律的发现

研究弹性 找到奥秘 胡克定律的发现 前面说到的胡克以发现胡克定律而闻名于世。胡克定律是弹性的基本定律。弹性是固体的重要特性，在生产和生活中有广泛的应用，但却很少有人研究。达芬奇在他的笔记中，记录了当年他对材料受力下的性能所做过的实验，他研究过材料的强度，却没有研究材料的弹性。 伽利略研究过梁的强度问题。当时他曾进行过一系列实验，提出过梁的强度公式，不过由于他对材料受力后会发生形变这一规律缺乏认识，把梁看成刚体，所以他的公式并不完全正确。图l是伽利略论述横梁强度时用的插图。在力学的应用中弹性占有重要地位，首先是胡克对弹性做了全面的研究。胡克当过玻意耳（RBoyle）的助手。他不但创造和改进了许多实验 图1 伽利略研究横梁强度的实验仪器，例如：抽气机（真空泵），温度计，气压计，显微镜，望远镜，计时摆钟，等等；他还精通建筑设计，当过设计师和建筑师。他兴趣广泛，多才多艺，在物理学许多领域，例如：万有引力、玻意耳定律、光的波动说、热的唯动说等方面都有他的贡献。16771682年他担任英国皇家学会秘书。胡克的弹性定律发表于1678年。这个定律的发现和计时器的改进有直接关系。大约在1658年，胡克刚刚对抽气机做了改进，计时器又引起了他的注意。在这以前，摆钟已由伽利略发明，但一台附有摆锤的计时器携带起来很不方便，特别是在航海的船上更需要便于携带的计时器（据说靠这种装置还可以确定经度）。胡克想，如果能用螺旋弹簧来代替摆锤，从螺旋弹簧的振动获得等时信号，不也可以控制计时装置吗？他设想把螺旋弹簧安装在平衡轮的轴上，组成一套能够不断振动的摆轮，再装进计时器中。他的想法得到了好几位有威望的科学家的支持，甚至还申请到了专利，但不知为何这项工作没有进行下去。 1674年，惠更斯制成了用螺旋弹簧控制的钟，胡克知道后很着急，怀疑自己的发明被窃，心甚不平。于是和时钟制造者汤平合作制成了一台弹簧钟，上面刻写着“罗伯特胡克发明于1658年，托马斯汤平制作于1675年”，并公开展示。在这台时钟里，最关键的部件是螺旋弹簧。为此胡克对弹簧的弹性做了周密的研究，还进行了许多实验，由此他总结出一条重要结论：任何弹簧的弹性都与其张力成正比。他把这一结论简短地表达成：弹性与力成正比，用拉丁文可写为“uttensio sic vis”。1676年，他在一本书的结尾，用字谜的形式公布了这一发现，这个字谜就是：ceiiinosssttuv。 两年后，胡克正式发表了论弹性的势。在这本小册子里，胡克首先介绍了螺旋弹簧，论述了弹性和力的关系，并列举了几种弹性物体的行为。图2是胡克在论弹性的势书中介绍螺旋弹簧的插图。将金属丝绕成螺旋状，一端固定，一端系重物（硅码），螺旋的伸长将与负重成正比。胡克写道：“这是自然的规律，所有弹性运动都得遵守，不论是稀释还是伸长，凝聚还是压缩。”图7-2 螺旋弹簧控制钟 接着他又介绍另外几个实验：取一钟表发条，将发条上紧，里端固定，外端连着同轴齿轮，在齿轮的边缘盘绕一根丝线，由丝线悬吊一很轻的秤盘，上加桂码。由此可以得到如下结果：硅码的多少与齿轮转过的角度成正比。或者取一根长线，例如 20英尺、30英尺或 40英尺（1英尺=0.3048米），下端置一秤盘，改变秤盘中的砝码，从线长测得伸长。“你可以发现，由于负重造成的伸长，总保持同样的比例。” 将一块弯曲后可以恢复的干木块水平放置，一端固定，另一端悬挂重物，使之弯曲，也可得到同样的结果。 胡克没有明确提到弹性限度问题，但从他的叙述中已暗示了这一条件。 胡克的字谜常常引起后人的非议，认为他太吝啬了。其实，这是当时科学家保护自己发明权的一种办法，不足为怪。我们应该首先肯定他的功绩，他以周密的实验研究为基础，总结得出了前人不加注意但却是十分重要的规律。他的科学精神后来得到了发扬，尤其在法国科学家库仑（CACoulomh）的研究中得到了更加充分的体现。正是利用了扭丝