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第19章 胡克定律的发现

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。

在力学的应用中弹性占有重要地位,弹性首先是由胡克作了全面地研究。胡克当过玻意耳的助手。他不但创造和改进了许多实验仪器,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,而且还精通建筑设计,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。1677-1682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,胡克刚刚对抽气机作了改进,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作了周密的研究,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“uttensiosicvis”。1676年,他在一本书的末尾,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,胡克论述了弹性和力的关系,并列举了几种弹性物体的行为。他首先介绍螺旋弹簧。将金属丝绕成螺旋状,一端固定,一端负重物(砝码);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”。

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,上加砝码。可以得到如下结果:砝码的多少,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,但从他的叙述中实际上已暗示了这一条件。

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,尤其是在法国科学家库仑的研究中得到了更加充分的体现。正是利用了扭丝的弹性,库仑发明了极其灵敏的扭秤,发现了著名的库仑定律。

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