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輸入計算

數學公式

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結果

Spring Force F
-30
force units
量值 30
方程式 F = -k x(虎克定律)

什麼是虎克定律?

虎克定律描述理想彈性彈簧的行為:彈簧受到的回復力,與它相對於自然長度被拉伸或壓縮的距離成正比。寫成 \(F = -kx\),其中 F 是彈簧的回復力,k 是彈力係數(代表彈簧的剛性),x 則是相對於平衡位置的形變位移。負號代表回復力永遠指向靜止位置。這是一條放諸四海皆準的物理關係式,只要彈簧仍處於彈性(線性)範圍內就成立。

拉伸與壓縮的彈簧,顯示與位移方向相反的恢復力
虎克定律:彈簧的恢復力始終與位移 \(x\) 方向相反。

如何使用本計算器

先選擇你想求解的目標:彈簧力、彈力係數、位移,或附掛質量的加速度。接著輸入已知數值並挑選對應的單位——系統會先把每個數值換算成國際單位(牛頓、牛頓/公尺、公尺、公斤)再進行運算,最後再把答案換算回你所選的顯示單位。你可以透過「有效位數」下拉選單調整結果的四捨五入,或維持「自動」以保留自然精度。

公式解析

核心關係式為 $$F = -kx$$ 經過移項後:彈力係數為 $$k = \frac{\left|F\right|}{\left|x\right|}$$ 位移為 $$x = \frac{\left|F\right|}{\left|k\right|}$$ 當彈簧上附掛質量 m 時,依牛頓第二運動定律可得瞬時加速度 $$a = \frac{F}{m} = \frac{-kx}{m}$$ 求解 \(k\) 或 \(x\) 時取絕對值(量值);而顯示的彈簧力則保留正負號,以忠實呈現 \(F = -kx\)。

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彈簧力與位移的線性圖,過原點且斜率為 k
力與位移成正比;直線的斜率即為彈簧常數 \(k\)。

實際範例

假設一條彈簧的剛性 \(k = 200\ \text{N/m}\),被拉伸 \(x = 0.15\ \text{m}\)。其彈簧力為 $$F = -(200 \times 0.15) = -30\ \text{N}$$ 亦即量值 30 N,方向指回平衡位置。若在此形變位置附掛一個 2 kg 的質量並固定,則它的瞬時加速度為 $$a = \frac{-30}{2} = -15\ \text{m/s}^2$$

常見問題

為什麼會有負號?負號表示回復力與形變方向相反——拉伸彈簧時它會往回拉,壓縮彈簧時它會往外推。

虎克定律在什麼情況下會失效?一旦超過彈性限度,彈簧會產生永久變形,此時力與位移不再呈線性關係,公式便不再適用。

可以輸入負的位移嗎?可以。負的 \(x\) 代表壓縮而非拉伸;負號會在線性關係式中一路傳遞下去。

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