假如有人告诉你这个世界的本质是弹簧,你愿意相信吗?

作者: Cloudiiink

来源: 中科院物理所

发布日期: 2018-12-02 12:08:14

文章探讨了弹簧在日常生活中的广泛应用及其在机械表、电流表等精密仪器中的重要作用,介绍了弹簧的种类、制作过程以及胡克定律,并讨论了弹簧在物理学中的普遍性和重要性。

假如有人告诉你这个世界的本质是弹簧,你愿意相信吗?其实说起弹簧,很多人都不会感到陌生。毕竟,生活中实在是有太多太多了。我们每天睡觉都要用的床里面,就有商家精心设计的弹簧组合,让人们得到更好的休息。平时遇到的每扇门里面的机械锁,也通过弹簧来检测你插入的钥匙是否正确。让我们的出行变得更加轻松各种交通工具,里面也有多到数不清的弹簧——最简单而且容易理解的用处,就是它们带来的减震效果了。

其实很多人对于弹簧的印象还停留在压缩弹簧上,但是其实弹簧的种类远比你所想象的要丰富很多。比如我们平时使用的回形针,其本质上也是一种弹簧。回形针的里头一圈和外面一圈被撑开,从而产生回复力夹住。与线性拉伸的弹簧不同,我们生活中还经常见到扭力弹簧。在我们的各种夹子里,就藏着扭力弹簧的身影。扭力弹簧通过扭转产生回复力。

在人们发明石英振荡器之前,驱动钟表产生周期运动的是被称为「游丝」的细细的弹簧。它的形状不再是直直的线型,而是盘绕在摆轮周围。可以在图中看到,游丝的两端被固定住,在施加推动力以后,游丝之间的间距会出现缩小再变大的周期性变化,从而驱动棘轮计时。如果游丝的长度过短,那么摆轮就会很难转动,振动周期也会变短;反之如果游丝长度过长,振动周期就会变长。所以游丝是影响走时准确的重要因素之一。

当然,游丝不止在机械表里有所应用。比如我们在做电学实验时需要用到的磁电式电流表中,游丝起到平衡电磁力矩的作用,从而实现对电流的测量。胡克定律Hooke's Law虽然惠更斯最早制作出了游丝摆轮实物,并把它展示给了法国皇家学会,也因此成为了官方认定的发明人。但是最早的游丝概念提出者并非惠更斯,而是罗伯特·胡克。两人也因此对游丝摆轮的发明权展开了持久的争论。

胡克其实是一个通才。在机械制造方面,他设计制造了真空泵、显微镜和望远镜。他第一个制造出了万向接头,可以允许刚性杆向任意方向运动,现在仍广泛应用于车辆的传动装置中。不知道是不是因为兴趣太过广泛的关系,他在有了游丝的想法后迟迟未制成实物,让惠更斯抢了先。幸运的是,至今在教科书中,我们仍能看到一条以胡克命名的物理定律——弹簧的胡克定律。

人们早早地就发明了弓这一类利用了弹性势能的工具。

但是为大家所熟知的盘绕式的弹簧的出现一直要等到15世纪初在门锁中的应用。如今,工业化生产各种弹簧早就不是什么难事。我们可以看到,对于弹簧来说,往复运动的过程中,动能和弹性势能互相转化;对于单摆,动能和重力势能互相转化。这种情况可以推广到很多地方,我们都可以用一根弹簧(更准确地来讲,谐振子势),来近似表示一个往复运动的物体。而且,这么做往往和真实情况都符合得很好。

因为一般情况下,物体振动的幅度并不大。

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