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弹性失灵:牛顿与胡克的冲突

时间:2023-11-02 理论教育 版权反馈
【摘要】:然而,与牛顿为敌是要命的。胡克描述的实际上是一个完整的结构,如一根弹簧、一座桥或一棵树在被施加载荷时的挠度。事实上,在18世纪,弹性研究取得的实质进展微乎其微。和牛顿不同,胡克是一个朴实的人,他沉迷于大量实际的难题,包括弹性、弹簧、钟表、建筑、显微镜和解剖常见的跳蚤等。简而言之,牛顿打从心底里厌恶胡克,也讨厌胡克追求的一切,包括弹性。如果这样的状况持续下去,弹性理论在工程中的运用就会备受限制。

弹性失灵:牛顿与胡克的冲突

然而,与牛顿为敌是要命的。对牛顿来说,无论对错,绝不妥协。

——玛格丽特·埃斯皮纳斯(Margaret'Espinasse),《罗伯特·胡克》(Robert Hooke)

虽然在现代,胡克定律对工程师来说用处极大,但就胡克最初给出的形式而言,其实际效用相当有限。胡克描述的实际上是一个完整的结构,如一根弹簧、一座桥或一棵树在被施加载荷时的挠度。

若我们想一想,很快就会发现,一个结构的尺寸和几何形状,及其构成材料的种类,都会影响它的挠度。材料固有的刚度差异极大:橡胶或肉等容易被手指施加的轻微力量弄变形;但其他材质,比如木材、骨骼、岩石和大多数金属,则强劲得多。尽管没有材料能够达到绝对的“刚性”,但蓝宝石金刚钻等少数固体确实非常强劲。

我们可以用钢材和橡胶制造同样尺寸和形状的物体,比如普通的水管垫圈。很明显,钢制垫圈的刚性要比橡胶制垫圈大得多(实际上前者约为后者的30000倍)。如果我们用同一种材料(如钢材)制作一个细螺旋弹簧和一个粗大的主梁,那么弹簧自然会比主梁更柔韧。我们需要在工程中区分和量化这些效应,就像在生物学中一样,通过重复这些参数的变化,找到梳理整件事情的可靠方法。

虽然有这样一个前途光明的开端,但令人惊讶的是,直到胡克去世120年后,人们仍未找到应对这个难题的科学方法。事实上,在18世纪,弹性研究取得的实质进展微乎其微。进展不足的原因很复杂,但大致上是因为,17世纪的科学家认为科学是与技术进步交织在一起的(这是科学发展的愿景,科学当时还是历史上的新兴事物),而18世纪的许多科学家则自视为哲学家,并认为他们的工作层次完全高于制造业和商业活动中的鸡毛蒜皮。当然,这是一种对希腊科学观的回归。胡克定律已经为一些相当常见的现象提供了一种宽泛的哲学解释,这对不甚关心技术细节的绅士哲学家来说就足够了。

然而,除了上述种种,我们也不能忽略牛顿的个人影响,或者牛顿和胡克之间是非恩怨的后遗症。就智力而言,胡克几乎能与牛顿比肩,当然前者更敏感且自负;但在其他方面,二人的性格和志趣截然不同。总的来说,虽然二人都出身寒微,但牛顿更热衷攀附权贵,而胡克虽与查理二世有私谊,却无心经营。

和牛顿不同,胡克是一个朴实的人,他沉迷于大量实际的难题,包括弹性、弹簧、钟表、建筑显微镜和解剖常见的跳蚤等。胡克的一些发明至今仍在使用,比如,用于车辆变速器的万向接头和用于大多数相机的可变光圈。胡克发明的马车灯,其中蜡烛的火焰借助弹簧进给运动保持在光学系统的中心,直到20世纪20年代才被淘汰。此外,胡克的私生活比他的朋友萨缪尔·佩皮斯(Samuel Pepys)更混乱:他不仅勾搭每个女仆,还同他漂亮的侄女共度了一段“妙不可言”[4]的时光。

牛顿的宇宙图景或许比胡克宽广,但他的科学研究不大注重实用性。事实上,就像许多小教员,牛顿对科学的志趣常常是不切实际的。的确,牛顿在造币厂厂长的位置上尽职尽责,但他接受这个职位似乎与对应用科学的追求不甚相干,却和下述事实关系甚大。造币厂是个“政府治下的地盘”,在当时能带给他远高于剑桥三一学院研究员职位的社会地位,以及更丰厚的薪水。但是,牛顿将大量时间都花在了他的秘密世界中,他在其中推演诸如野兽[5]这样玄妙的神学难题。所以,我认为他没有多少时间或欲望沉溺于肉体的罪恶。

简而言之,牛顿打从心底里厌恶胡克,也讨厌胡克追求的一切,包括弹性。胡克去世后,牛顿继续在这个世界上存活了24年,他将其中的大部分时间用来诋毁胡克的成就和应用科学的重要性。自那时起,牛顿在科学世界里获得了近乎上帝的地位,凡此种种皆趋向于强化那个时代社会和智识的风尚,故而像结构这样的课题,即便在牛顿辞世多年后,也不太流行。(www.xing528.com)

因此,在18世纪,虽然胡克宽泛地解释了结构的运作方式,但他的工作并没有得到足够的跟进或拓展,具体的实用性计算也未见端倪。

如果这样的状况持续下去,弹性理论在工程中的运用就会备受限制。18世纪的法国工程师意识到了这一点,很是惋惜,于是试图运用既有理论来建造结构(却常常坍塌)。英国的工程师也意识到了这一点,但他们往往对“理论”漠不关心,而是靠经验法则来构建工业革命时代的结构。这些结构大多坍塌了,但也留下了一些。

【注释】

[1]1磅≈0.45千克。——编者注

[2]1磅力指1磅物体所受的重力。——编者注

[3]在胡克的时代,“拉伸”(tension)表示我们今天所说的“伸长量”(extension),与拉丁文“tensio”的意思相同。

[4]这是胡克自己的说法。他的侄女名叫格蕾丝(Grace)。

[5]野兽数是基督教文明中一个象征邪恶的数,源于《圣经·新约全书·启示录》。在大部分的《圣经》版本中,这个数被记作666。——译者注

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