首先我们来构造一个处于某个拉伸状态的弹簧即螺线。
拿一张长方形的纸,在上面画一条对角线,say从坐下到右上,
把纸卷取来形成一个竖直圆筒,那条斜线就形成了一条螺线,
纸被卷了几圈螺线就是几圈。斜线和水平方向的夹角就是前面
讨论弹簧时说的倾角A,A在螺线各点的值相同。
现在我们构造一个薄片圆环状理想弹簧,把前面的斜线换成一
条宽度为D厚度可忽略且与纸面垂直的长条,内外圈的长度比例
这样来定,先把它水平放置,即倾角A为0,卷够所要的圈数后
首位正好对齐。随后的拉伸状态就是把这根长条固定在一定高度
(即一定倾角)对角线与长条等长的长方形对角线上,然后卷起
来。注意,以上除不能拉伸外没有规定其它力学性质,只是对
弹簧的几何描述。
下面从几何的角度证明,要想保证任何拉伸状态下长条面总是垂
直于圆柱面,即“外沿总是在外边”,长条一定有一个累积的
扭转,并计算这个扭转角度。
考虑内、外圈上处在同一圆环半径上的相应两点,两点间距离就
是长条的宽度D(或钢丝的直径)
从前面的构造可看出,由于外圈周长大于内圈,如果起点一致
倾角相同,则转过一定角度后由于外圈沿斜坡多走了一点,其升
高大于内圈,使得长条面向内翻转,而且这个翻转是累积的。要
想补偿这一翻转,长条必须随时向外扭转一个角度。
现在来计算扭转角
设想一条半径扫过了一个微小角度d(phi),对应的内外圈的
弧长的差就是
dl=(R(外)-R(内))×d(phi)=D×d(phi),D为长条宽度。
外圈多跑出来的高度
dh=sin(A)×dl=sin(A)×D×d(phi),
如果补偿dh所需的扭转角为dt,考虑到dl、dt、dh都是微小变化
所以有sin(dt)=dt=dh/D=sin(A)×d(phi)。
弹簧上任一点的累积扭角就是
T=Integral{dt}=Integral{sin(A)d(phi)}=sin(A)×phi
phi为那一点绕弹簧轴的转角。拉直的情形下A=90度,
phi=2n×pi,n是弹簧圈数。