要说起弹簧,那可真是无处不在!
生活中,小至圆珠笔中笔芯的伸缩,大门的自动关闭(采用闭门器),大到自行车(摩托车)座椅及脚撑,都有弹簧的踪影。各种工农业生产机械、科研装备上的广泛使用就更不用说了。
弹簧到底具有哪些功能呢?
复位功能——譬如拉线开关、圆珠笔等内部均有复位的弹簧。
减震功能——譬如火车车厢下的一组粗大弹簧,就是使得火车在行驶时,车厢能保持平稳。汽车车厢下安装的是一组簧片(变形的弹簧)减震器。
量度功能——譬如测力计(弹簧秤),可以用以测量力的大小(包括物重),它是利用胡克定律制作出来的。
储能功能——譬如枪械中,在射击前需拉动枪栓,即通过枪栓来压缩枪内弹簧实现储能,当扳动扳机时,弹簧将弹性势能释放出来,使得撞针猛烈撞击子弹后的底火使之击发。老式机械钟表内,安装的是盘式发条(变形的弹簧),手动上发条后,推动齿轮组和表针转动的能量就来源于发条。
下面来说说物理学中的弹簧
1、胡克定律就是一个通过实验得出的反映弹簧弹力的规律,它是这样叙述的:在弹性限度之内,弹簧的弹力与弹簧的伸长量成正比,其表达式为
表达式中ΔX为弹簧的伸长量(压缩量),它的大小是弹簧形变后的长度与原长的差值;K为弹簧的劲度系数(原称为倔强系数),此值为物理属性的量——当一个弹簧被确定时(制造时其形状大小、长短及所用的材料),其K值就被确定,与弹簧受不受力、伸长(压缩)量多大无关;它表明在弹性限度之内,一个弹簧当发生形变时,其弹力与伸长量的比值为定值。若一个弹簧的劲度系数为500牛/米,说明这个弹簧发生形变,伸长(或压缩) 1米时,对应的弹力为500牛顿;或弹簧的弹力为500牛顿时,对应的伸长(或压缩)量为1米(实际上应这样说明:这个弹簧发生形变,伸长(或压缩)1厘米时,对应的弹力为5牛顿;或弹簧的弹力为5牛顿时,对应的伸长(或压缩)量为1厘米。
实际上人们常常用硬软这样的词眼来表示弹簧的这个性质,弹簧较硬,即劲度系数较大;弹簧较软,即劲度系数较小。
在这里需要说明的是,胡克定律解决的是(在弹性限度之内)弹簧发生拉伸、压缩形变时弹力大小,它同样适合于一般生活中使用的橡皮筋(松紧带)。丝、杆在受力发生形变时同样会产生弹力,其中反映金属丝受力发生形变性质的物理量称为杨氏模量。另外,物理中将物体的形变分为拉伸(压缩)形变、弯曲形变和扭转形变,其发生(弹性)形变时,都会产生弹力。
2、弹力做功与弹性势能变化关系
弹力与重力(万有引力)、分子力一样,均属于保守力,即这些力做功与路径无关,只取决于做功时的起点与终点。
弹力做功WP与弹性势能变化ΔEP密切相关。定性地说:弹力做正功,弹簧的弹性势能减少;弹力做负功,弹簧的弹性势能增加。定量地说:弹力做了多少正功,弹簧的弹性势能减少多少;弹力做了多少负功,弹簧的弹性势能增加多少。
反映弹力做功与弹性势能变化关系的表达式为
WP=-ΔEP = EP2-EP1
下图能反映弹力做功WP与弹性势能变化ΔEP的图像——
当弹簧的长度由X1伸长到X2时,弹力做功就对应图中那块梯形,其面积大小表示了弹力做功的大小或对应弹性势能变化的大小,其数值为:(KX22-KX12)/2
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