什麼是彈簧常數?
彈簧常數以符號 k 表示,用來衡量彈簧的「硬度」——也就是要把彈簧拉長或壓縮某段距離,需要施加多大的力。k 值越大,代表彈簧越硬、越不容易變形;k 值越小,則代表彈簧越軟、輕輕一壓就會變形。它的單位是牛頓每公尺(N/m)。這個計算器運用的是虎克定律(Hooke's Law),這是一條通用的物理關係式,只要彈簧仍在彈性限度內,就同樣適用。
如何使用本計算器
請輸入施加在彈簧上的力,單位為牛頓(N);以及彈簧因此從原本靜止位置產生的位移,單位為公尺(m)。計算器會立即算出彈簧常數 \(k = F/x\),同時還會顯示彈簧在該位移下所儲存的彈性位能。
公式說明
虎克定律指出,彈簧的回復力與其位移成正比:$$F = kx$$將公式移項,求解勁度即可得到 $$k = \dfrac{F}{x}$$而彈簧儲存的能量,正是力與位移關係圖中直線下方的面積,也就是 $$E = \tfrac{1}{2} k x^2$$
實際範例
假設用 10 N 的力把彈簧拉長 0.05 m,那麼 $$k = 10 \div 0.05 = 200 \text{ N/m}$$此時儲存的彈性位能為 $$E = \tfrac{1}{2} \times 200 \times 0.05^2 = \tfrac{1}{2} \times 200 \times 0.0025 = 0.25 \text{ J}$$
常見問題
該用什麼單位?力請用牛頓(N),位移請用公尺(m),這樣算出的 \(k\) 才會是 N/m。如果你量到的是公分(cm),記得先換算成公尺(除以 100)。
彈簧常數會是負值嗎?不會。力和位移的方向相同,因此 \(k\) 永遠是正值。\(F = -kx\) 中的負號代表的是回復力的方向,而不是勁度本身的數值。
超過彈性限度還適用嗎?不適用。虎克定律只在彈簧處於彈性形變的範圍內才成立。一旦超過彈性限度,彈簧會發生永久變形,\(k\) 也就不再是定值了。