把一个弹簧压下去,它会努力让自己恢复原状。利用这个很不起眼的现象,人类创造了很多发明。比如,利用弹簧的弹力,圆珠笔的笔尖可以轻松收入笔筒,弹子锁可以识别哪一把钥匙才是为自己量身定制的,利用发圈的弹力,女孩子们可以梳一个漂亮的发髻,利用蹦床的弹力,就连狗狗也能忘我地加入到家庭运动中。而在这些发明背后,隐藏着英国物理学家罗伯特·胡克提出来的一个定律。1676年,41岁的胡克先提出了一句拉丁语字谜。
两年后,他公布了谜底,意思是形变即力,我们大概可以理解为:“形变了多少,就产生多少力,胡克定律用在弹簧上是最典型的,可以用一个公式来表达:其中,F是作用力,k是弹性系数,x是形变量。当我们拉一个弹簧的时候,弹簧会产生一个想要变短的力,如果你强行把弹簧缩短,它就会产生一个让自己恢复原状的力,二者都叫做回复力。他们之间的比例关系,由弹力常数k来调节,它跟材料的性质有关。
当形变量等于零的时候,回复力也是零,当我们逐渐施力,形变量和回复力将在一个区间内成正比,这也是胡可定律成立的区间。当超过个某个界限的时候,我们还继续施力,使得它的形变量越来越大,这个材料就不一定遵守胡克定律了。它会进入一个非胡克定律的区间,如果我们还不停手,继续施力,产生了永久形变的时候,这种材料就会超过它的弹性限度,产生塑性形变。当然,有些材料天生不满足胡克定律,只会塑性形变,比如橡皮泥。
而对那些满足胡克定律的材料,比如金属,如果能够深入到微观层面继续观察,我们会发现,它们的原子间本来靠电磁力相互连接,当外部的作用力比较小时,原子稍微离开平衡位置,发生弹性形变,当作用力消失,又恢复原状,当作用力足以引起较大的位移时,去除作用力后,下部分和上部分就会永久分离,产生塑性形变。金属断了,玻璃碎了,塑性形变似乎不是什么好事儿。
但是如果加以利用,同样也能发挥大作用,比如,现在的汽车都会设计可以折叠的溃缩区,这个区域通常用比较容易产生塑性形变的金属来制造。撞车的时候,溃缩区吸收撞击能量,确保乘员生存空间。