虎克定律 虎克定律-定义,虎克定律-表达式

胡克定律是力学基本定律之一。适用于一切固体材料的弹性定律,它表述为:在弹性限度内,物体的形变跟引起形变的外力成正比。这个定律是英国科学家胡克发现的,所以叫做胡克定律。

胡克定律(Hooke's Law)

即虎克定律

广义胡克定律_虎克定律 -定义

胡克定律是力学基本定律之一。适用于一切固体材料的弹性定律,它表述为:在弹性限度内,物体的形变跟引起形变的外力成正比。这个定律是英国科学家胡克发现的,所以叫做胡克定律,

虎克定律图示又译为虎克定律。

广义胡克定律_虎克定律 -表达式

胡克定律的表达式为F=-kx或△F=-kΔx,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。倔强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= -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。

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。

胡克定律应用的一个常见例子是弹簧。 在弹性限度内,弹簧的弹力F和弹簧的长度变化量x成线性关系,即:

F = -kx 式中k是弹簧的劲度系数(或称为倔强系数),它由弹簧材料的性质和几何外形所决定,负号表示弹簧所产生的弹力与其伸长(或压缩)的方向相反,这种弹力称为回复力,表示它有使系统回复平衡的趋势。满足上式的弹簧称为线性弹簧。

通过变形储存在弹簧中的弹性势能为:

该式可以理解为弹簧在压缩过程中逐小段做负功的极限累加,数学上就是作用力对作用距离的定积分(注意势能恒为正值)。

势能函数在U-x平面内是一段抛物线。随着弹簧沿x方向变形(无论拉伸还是压缩),势能相应增加。非平衡状态时的势能总是高于平衡状态(x= 0)时的势能。所以弹簧力的作用总是使系统向势能减少的方向运动,正如在半山上的球在引力的作用下总是要往山下(引力势能小的地方)滚一样。

如果将一块质量悬挂在这样一个弹簧的末端,然后对它施加一个轴向扰动(可以是敲打或拉开一段距离突然松手),质量和弹簧组成的系统将会以下列固有角频率(又称共振角频率)开始振动:

若要对处于三维应力状态下的材料进行描述,需要定义一个包含81个弹性常数的四阶张量cijkl以联系二阶应力张量σij 和应变张量(又称格林张量)εkl。

由于应力张量、应变张量和弹性系数张量存在对称性(应力张量的对称性就是材料力学中的剪应力互等定理),81个弹性常数中对于最一般的材料也只有21个是独立的。

由于应力的单位量纲(力/面积)与压强相同,而应变是无量纲的,所以弹性常数张量cijkl中每一个元素(分量)都具有压强的量纲。

对于固体材料大变形力学行为的描述需要用到新胡克型固体模型(neo-Hookean solids)和Mooney-Rivlin型固体模型。

广义胡克定律_虎克定律 -历史证明

Hooke law

材料力学和弹性力学的基本规律之一。由R.胡克于1678年提出而得名。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。

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。

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。

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

郑玄-胡克定律

它是由英国力学家胡克(Robert Hooke, 1635-1703) 于1678年发现的,实际上早于他1500年前,东汉的经学家和教育家郑玄(公元127-200)为《考工记・马人》一文的“量其力,有三钧”一句作注解中写到:“假设弓力胜三石,引之中三尺,驰其弦,以绳缓擐之,每加物一石,则张一尺。”以正确地提示了力与形变成正比的关系,郑玄的发现要比胡克要早一千五百年.因此胡克定律应称之为“郑玄――胡克定律.”

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