Закон Гука

Механика сплошных сред
Сплошная среда
Классическая механика Закон сохранения массы · Закон сохранения импульса
Теория упругости Напряжение · Тензор · Твёрдые тела · Упругость · Пластичность · Закон Гука · Реология · Вязкоупругость
Гидродинамика Жидкость · Гидростатика · Гидродинамика · Вязкость · Ньютоновская жидкость · Неньютоновская жидкость · Поверхностное натяжение
Основные уравнения Уравнение непрерывности · Уравнение Эйлера · Уравнение Громеки — Лэмба · Уравнение Бернулли · Интеграл Коши — Лагранжа · Уравнения Навье — Стокса · Уравнение вихря · Уравнение диффузии · Закон Гука
См. также: Портал:Физика

Видеоурок: закон Гука открыли в 1660 а не 1670

Зако́н Гу́ка — утверждение, согласно которому деформация, возникающая в упругом теле (пружине, стержне, консоли, балке и т. д.), прямо пропорциональна силе упругости, возникающей в этом теле. Открыт в 1660 году английским учёным Робертом Гуком[1]. Закон справедлив для упругих деформаций, то есть деформаций, устраняющихся при снятии внешней силы, вызвавшей деформации.

Закон Гука выполняется только при малых упругих деформациях, и не справедлив при пластических деформациях (не устраняющихся при снятии внешней силы, вызвавшей деформации). При превышении предела пропорциональности связь между силой и деформацией становится нелинейной. Для многих сред закон Гука неприменим даже при малых деформациях.

Закон Гука для тонкого стержня

Для тонкого растяжимого стержня закон Гука имеет вид:

${\displaystyle F=k\Delta l.}$

Здесь ${\displaystyle F}$ — сила, которой растягивают (сжимают) стержень, ${\displaystyle \Delta l}$ — абсолютное удлинение (сжатие) стержня, а ${\displaystyle k}$ — коэффициент упругости (или жёсткости).

Коэффициент упругости зависит как от свойств материала, так и от размеров стержня. Можно выделить зависимость от размеров стержня (площади поперечного сечения ${\displaystyle S}$ и длины ${\displaystyle L}$) явно, записав коэффициент упругости как

${\displaystyle k={\frac {ES}{L}}.}$

Величина ${\displaystyle E}$ называется модулем упругости первого рода, или модулем Юнга и является механической характеристикой материала.

Если ввести относительное удлинение

${\displaystyle \varepsilon ={\frac {\Delta l}{L}}}$

и нормальное напряжение в поперечном сечении

${\displaystyle \sigma ={\frac {F}{S}},}$

то закон Гука для относительных величин запишется как

${\displaystyle \sigma =E\varepsilon \ .}$

В такой форме он справедлив для любых малых объёмов материала.

Также при расчёте прямых стержней применяют запись закона Гука в относительной форме

${\displaystyle \Delta l={\frac {FL}{ES}}.}$

Закон Гука и измерение силы

Закон Гука лежит в основе измерения сил пружинным механическим динамометром[2]. В этом приборе измеряемая сила передаётся пружине, которая в зависимости от направления силы сжимается или растягивается. Величина упругой деформации пружины пропорциональна силе воздействия и регистрируется[3].

Принципиальная возможность измерения обеспечивается уже свойством упругости, но без закона Гука упомянутая пропорциональность отсутствовала бы и градуировочная шкала стала бы неравномерной, что неудобно.

Обобщённый закон Гука

В общем случае напряжения и деформации описываются тензорами второго ранга в трёхмерном пространстве (имеют по 9 компонентов). Связывающий их тензор упругих постоянных является тензором четвёртого ранга ${\displaystyle C_{ijkl}}$ и содержит 81 коэффициент. Вследствие симметрии тензора ${\displaystyle C_{ijkl}}$, а также тензоров напряжений и деформаций, независимыми являются только 21 постоянная. Закон Гука выглядит следующим образом:

${\displaystyle \sigma _{ij}=\sum _{kl}C_{ijkl}\cdot \varepsilon _{kl},}$

где ${\displaystyle \sigma _{ij}}$ — тензор напряжений, ${\displaystyle \varepsilon _{kl},}$ — тензор деформаций. Для изотропного материала тензор ${\displaystyle C_{ijkl}}$ содержит только два независимых коэффициента.

Благодаря симметрии тензоров напряжения и деформации, закон Гука может быть представлен в матричной форме.

Для линейно упругого изотропного тела:

${\displaystyle \varepsilon _{x}={\frac {\sigma _{x}}{E}}-{\frac {\mu }{E}}\sigma _{y}-{\frac {\mu }{E}}\sigma _{z}}$

${\displaystyle \varepsilon _{y}={\frac {\sigma _{y}}{E}}-{\frac {\mu }{E}}\sigma _{x}-{\frac {\mu }{E}}\sigma _{z}}$

${\displaystyle \varepsilon _{z}={\frac {\sigma _{z}}{E}}-{\frac {\mu }{E}}\sigma _{x}-{\frac {\mu }{E}}\sigma _{y}}$

${\displaystyle \gamma _{xy}={\frac {\tau _{xy}}{G}}}$

${\displaystyle \gamma _{yz}={\frac {\tau _{yz}}{G}}}$

${\displaystyle \gamma _{xz}={\frac {\tau _{xz}}{G}}}$

где:

• ${\displaystyle E}$ — модуль Юнга;
• ${\displaystyle \mu }$ — коэффициент Пуассона;
• ${\displaystyle G={\frac {E}{2(1+\mu )}}}$ — модуль сдвига.

См. также

• Модуль Юнга

Примечания

1. Гука закон. Статья в физической энциклопедии.  (неопр.) Дата обращения: 2 декабря 2015. Архивировано 2 октября 2015 года.
2. Б. М. Яворский, А. А. Детлаф. Справочник по физике  (неопр.). М.:Наука (1985). — см. на стр. 22, в парагр. 1.1.2 Сила: «…измерение сил с помощью пружинного динамометра основано на законе Гука…» Дата обращения: 10 декабря 2020. Архивировано 10 декабря 2020 года.
3. Cм. статью «Динамометр» Архивная копия от 11 января 2022 на Wayback Machine в «Сельскохозяйственной энциклопедии», Т. 1 (А — Е), ред. коллегия: П. П. Лобанов (глав ред) [и др.] (1949)