其实说起弹簧,很多人都不会感到陌生。毕竟,生活中实在是有太多太多了。我们每天睡觉都要用的床里面,就有商家精心设计的弹簧组合,让人们得到更好的休息。平时遇到的每扇门里面的机械锁,也通过弹簧来检测你插入的钥匙是否正确。让我们的出行变得更加轻松各种交通工具,里面也有多到数不清的弹簧——Z简单而且容易理解的用处,就是它们带来的减震效果了。
其实很多人对于弹簧的印象还停留在压缩弹簧 (compression springs) 上,但是其实弹簧的种类远比你所想象的要丰富很多。比如我们平时使用的回形针,其本质上也是一种弹簧。回形针的里头一圈和外面一圈被撑开,从而产生回复力夹住。
各式各样的弹簧,在不同的地方发挥着不同的作用
与线性拉伸的弹簧不同,我们生活中还经常见到扭力弹簧 (torsion springs)。在我们的各种夹子里,就藏着扭力弹簧的身影。扭力弹簧通过扭转产生回复力。
游丝驱动钟表实现周期性运动,那个左右转动的轮子被称为摆轮,而下面变松又变紧的就是游丝了 [2]
在人们发明石英振荡器之前,驱动钟表产生周期运动的是被称为「游丝」(balance spring) 的细细的弹簧。它的形状不再是直直的线型,而是盘绕在摆轮周围。可以在图中看到,游丝的两端被固定住,在施加推动力以后,游丝之间的间距会出现缩小再变大的周期性变化,从而驱动棘轮计时。如果游丝的长度过短,那么摆轮就会很难转动,振动周期也会变短;反之如果游丝长度过长,振动周期就会变长。所以游丝是影响走时准确的重要因素之一。
制作游丝的材料选取也至关重要,人们通常使用恒弹性合金(锡青铜等)来制造。究其原因,Z重要的一点在于平衡温度对材料弹性的影响。温度变化会导致游丝热胀冷缩,改变游丝的有效长度,从而使得摆轮的转动不再稳定,钟表的走时变得不再准确。所以在现在的机械表里,我们可以看到能工巧匠们利用各种技巧来平衡温度带来的影响,提高走时的准确性。
当然,游丝不止在机械表里有所应用。比如我们在做电学实验时需要用到的磁电式电流表中,游丝起到平衡电磁力矩的作用,从而实现对电流的测量。
图中所示为磁电式电流表,电流通过线圈以后产生电磁力矩,从而驱动游丝发生转动。由于相互之间均为线性关系,所以标度盘上的刻度是均匀的。