彈簧串聯、並聯使用,總勁度係數與單個彈簧的勁度係數有何關係

2021-01-08 教育點滴談

彈簧串聯、並聯使用,其總勁度係數與單個彈簧的勁度係數有何關係。

實驗表明,彈簧發生彈性形變時,彈力的大小F跟彈簧伸長(或宿短)的長度x成正比,即F=kx,式中的k稱為彈簧的勁度係數,單位是牛頓每米。這個規律是英國科學家胡克發現的,叫做胡克定律。

今天,我們來討論一下,如果把彈簧串聯或者是並聯起來一起使用,這個串聯或者並聯的整體的勁度係數,和單個彈簧的勁度係數之間有什麼樣的關係。為了簡單起見,我們假設把完全相同的彈簧串聯或並聯。

設將兩個勁度係數均為k的彈簧,串聯起來作為一個整體使用,這個整體的勁度係數是多少呢?因為F=kx,如果我們還是使用同樣大小的力F去拉這個彈簧,這個整體將會伸長2x,那麼這個串聯起來的彈簧整體,其勁度係數為1/2倍k ,就是說串聯起來使用的彈簧的勁度係數變小了。

設將兩個勁度係數均為k的彈簧,並聯起來作為一個整體使用,這個整體的勁度係數是多少呢?同樣的道理,如果我們還是使用同樣大小的力F去拉這個彈簧,兩個彈簧分別分擔了F的一半,這個整體只能伸長1/2倍x, 那麼,這個並聯起來的彈簧整體,其勁度係數為2k ,就是說並聯起來使用的彈簧的勁度係數變為了原來的2倍,比單個彈簧的勁度係數大了。

其實,上面我們把問題簡單化了,但是,得到的結論是沒有問題的,即:彈簧串聯起來使用,總勁度係數變小,彈簧並聯起來使用,總勁度係數變大。有興趣的同學,可以推導一下,彈簧串聯後的勁度係數的倒數,等於每個彈簧勁度係數倒數之和;彈簧並聯後的勁度係數,等於每個彈簧的勁度係數之和。

細心的同學應該發現了,這個結論像極了電阻的串並聯,不過是反著來的。串聯電路的總電阻等於各部分電阻之和,而彈簧並聯時,總勁度係數等於各彈簧勁度係數之和;並聯電路的總電阻的倒數等於各部分電阻倒數之和,而彈簧卻是在串聯時,其總的勁度係數的倒數等於各彈簧勁度係數的倒數之和。

生活中說的彈簧的「軟」和「硬」,指的就是彈簧的勁度係數不同,勁度係數小稱為「軟」彈簧,就是稍微一用力就可以拉很長的彈簧,反之稱為「硬」彈簧,那種拉不動的彈簧。彈簧越串越「軟」,越並越「硬」。更多高中物理學習方面的文章,請關注進入主頁查看。

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