胡克定律是彈性的基本定律。彈性是固體的重要特性,在生產和生活中有廣泛的應用,但卻很少有人研究。達·芬奇在他的筆記中,記錄了當年他對材料受力下的性能所做過的實驗,他研究過材料的強度,卻沒有研究彈性。
伽利略研究過梁的強度問題。當時他曾進行過一係列實驗,提出過梁的強度公式,不過由於他對材料受力後會發生形變這一規律缺乏認識,把梁看成剛體,所以他的公式並不完全正確。
在力學的應用中彈性占有重要地位,彈性首先是由胡克作了全麵地研究。胡克當過玻意耳的助手。他不但創造和改進了許多實驗儀器,例如:抽氣機(真空泵)、溫度計、氣壓計、顯微鏡、望遠鏡、計時擺鍾等等,而且還精通建築設計,當過設計師和建築師。他興趣廣泛,多才多藝,在物理學許多領域,例如:萬有引力、玻意耳定律、光的波動說、熱的唯動說等方麵都有他的貢獻。1677-1682年他擔任英國皇家學會秘書。
胡克的彈性定律發表於1678年。這個定律的發現,和計時器的改進有直接關係。大約在1658年,胡克剛剛對抽氣機作了改進,計時器又引起了他的注意。在這以前,擺鍾已由伽利略發明,但一台附有擺錘的計時器攜帶起來很不方便,特別是在航海的船上更需要便於攜帶的計時器(據說靠這種裝置還可以確定經度)。胡克想,如果能用螺旋彈簧來代替擺錘,從螺旋彈簧的振動獲得等時信號,不也可以控製計時裝置嗎?
他設想把螺旋彈簧安在平衡輪的軸上,組成一套能夠不斷振動的擺輪,再裝進計時器中。他的想法得到了好幾位有威望的科學家的支持,甚至還申請到了專利,但不知為何這項工作沒有進行下去。
1674年,惠更斯製成了用螺旋彈簧控製的鍾,胡克知道後很著急,懷疑自己的發明被竊,心甚不平。於是和時鍾製造者湯平合作製成了一台彈簧鍾,上麵刻寫著“羅伯特·胡克發明於1658年,托馬斯·湯平製作於1675年”,並公開展示。在這台時鍾裏,最關鍵的部件是螺旋彈簧。為此胡克對彈簧的彈性作了周密的研究,還進行了許多實驗,由此他總結出一條重要結論:任何彈簧的彈性都與其張力成正比。他把這一結論簡短地表達成:彈性與力成正比,用拉丁文可寫為“uttensiosicvis”。1676年,他在一本書的末尾,用字謎的形式公布了這一發現,這個字謎就是:ceiiinosssttuv。
兩年後,胡克正式發表了《論彈性的勢》。在這本小冊子裏,胡克論述了彈性和力的關係,並列舉了幾種彈性物體的行為。他首先介紹螺旋彈簧。將金屬絲繞成螺旋狀,一端固定,一端負重物(砝碼);螺旋的伸長將與負重成正比。胡克寫道:
“這是自然的規律,所有彈性運動都得遵守,不論是稀釋還是伸長,凝聚還是壓縮”。
接著他又介紹另外幾個實驗:取一鍾表發條;將發條上緊,裏端固定,外端連著同軸齒輪,在齒輪的邊緣盤繞一根絲線,由絲線懸吊一很輕的秤盤,上加砝碼。可以得到如下結果:砝碼的多少,與齒輪轉過的角度成正比。或者取一根長線,例如20英尺、30英尺或40英尺(1英尺=0.3048米),下端置一秤盤,改變秤盤中的砝碼,從線長測得伸長。“你可以發現,由於負重造成的伸長,總保持同樣的比例。”
將一塊彎曲後可以恢複的幹木塊水平放置,一端固定,另一端懸掛重物,使之彎曲,也可得到同樣的結果。
胡克沒有明確提到彈性限度問題,但從他的敘述中實際上已暗示了這一條件。
胡克的字謎常常引起後人的非議,認為他太吝嗇了。其實,這是當時科學家保護自己發明權的一種辦法,不足為怪。
我們應該首先肯定他的功績,他以周密的實驗研究為基礎,總結得出了前人不加注意,但卻是十分重要的規律。他的科學精神後來得到了發揚,尤其是在法國科學家庫侖的研究中得到了更加充分的體現。正是利用了扭絲的彈性,庫侖發明了極其靈敏的扭秤,發現了著名的庫侖定律。