Hopkinson 杆和 Hopkinson 的故事

许多工程问题需要我们测定各种材料在高应变率下的力学特性。为达致这个目的，分离式 Hopkinson 杆是现今世界上公认最成熟的、应用得也最广泛的现代实验技术。这套装置的构型并不复杂，却能有效地获得大多数工程材料在每秒 102-104 的高应变率下的应力应变曲线。这种实验装置的名称源自最初提出相关创意和原始设计的英国剑桥大学工程科学教授 B.Hopkinson。其实，B.Hopkinson 追随他的父亲 J.Hopkinson 献身于工程科学，还有一段非常动人的故事。

1. 霍普金森杆实验技术

在汽车、航空、航天、海洋、核电、兵器及防护等工程领域中，许多结构和器件经常会受到高速冲击或爆炸等强动载荷的作用，因此在设计中必须考虑所采用的材料在高速变形时（即高应变率下）的机械性能和力学响应。为了确定各种材料在高应变率下的力学特性，应用得最广泛也最成熟的现代实验技术称为分离式 Hopkinson 杆技术 (Split Hopkinson Bar Technique)。

典型的分离式 Hopkinson 压杆 (Split Hopkinson Pressure Bar) 装置如图 1(a) 所示。被测试的材料的一个小试件（通常做成圆柱形）放置在两根细长的圆柱形杆件之间；在实验中，受压缩气体推动加速的一根细长子弹（或称撞击杆）高速撞击到其中一根长杆（入射杆）的端头，撞击所产生的压缩应力波沿输入杆传播到输入杆与试件的界面时，一部分发生反射，另一部分则穿过试件一直透射到另一长杆（透射杆）中去继续传播。由于应力波在试件两端的多次反射，很快就能在试件内建立一个近乎均匀的应力和应变状态。从两根长杆上粘贴的应变片测出动态应变（图 1(b)），再根据应力波理论就可以推算出使试件发生快速变形时的应力，应变和应变率，进而得到所测材料在高应变率下的应力应变曲线。应用分离式 Hopkinson 压杆技术，对大多数工程材料能获得应变率高达每秒 102-104 下的应力应变关系。

除了分离式 Hopkinson 压杆以外，在过去几十年中世界各国的研究者们还先后设计出分离式 Hopkinson 拉杆和分离式 Hopkinson 扭杆，分别利用拉伸波和扭转波来测定材料在高速拉伸和高速扭转条件下的力学性能。

(a) 典型的分离式 Hopkinson 压杆装置

(b) 应变片测出的动态应变

图 1

2. 霍普金森父子

为什么这一类实验装置都被叫做 Hopkinson 杆呢？这不能不从英国工程科学史上的重要人物 Hopkinson 父子说起。

2.1 John Hopkinson

从 19 世纪末到 20 世纪初，Hopkinson 父子二人可以说是工程科学界影响重大的人物。父亲名叫 John Hopkinson（图 2），1849 年出生于曼彻斯特一个纺织工程师的家庭，从小就显示了出众的数学天赋，并于 1871 年在剑桥大学著名的三一学院 (Trinity College) 获得数学学位。毕业后，他的兴趣转向将数学用于工程实践。当时物理学家 Maxwell 建立了电磁波理论；John Hopkinson 尽管经济上不宽裕，还是把他家的两个房间改建成实验室，在里面进行电磁学的实验。他和弟弟一起研制出实用的交流电动机和同步电机，并获得三相发电机的专利。由于这些突出的成就，John Hopkinson 被遴选为英国皇家学会院士（1877），获聘为伦敦国王学院的电工教授（1890），并且两次（1890 和 1896）被推选为英国电机工程师学会的主席。目睹剑桥大学卡文迪许实验室在实验物理研究上的巨大成功，他又积极呼吁和策划在剑桥大学创建一间高水平的工程实验室。

图 2 John Hopkinson

John Hopkinson 酷爱户外运动，早在剑桥三一学院读书的时候，他就担任学院划艇队的队长，并曾带领划艇队在著名的一英里划艇大赛中获胜。后来，他常同朋友和家人去登山。1898 年夏天，他带着两个儿子和两个女儿去瑞士攀登阿尔卑斯山，除了长子 Bertram Hopkinson（见下）因其律师事务先行离开了之外，他和其他三名子女全都在 8 月 27 日的登山事故中不幸罹难。

这场灾难后，他的遗孀没有被悲痛所击倒，而是决定继承他的遗志，捐出 5000 英镑个人财产在剑桥大学建立工程实验室。这个实验室建在剑桥大学的新博物馆校区，剑桥大学专门在该处建筑物的墙上立了一块纪念牌来纪念 John Hopkinson 这位工程实验室的先驱者。时至今日，如果你去到剑桥的 Free School Lane，仍然可以见到这块纪念牌（图 3）。

图 3 位于剑桥 Free School Lane 的 John Hopkinson 纪念牌

2.2 Bertram Hopkinson

Bertram Hopkinson（图 4）是 John Hopkinson 的长子，生于 1874 年。他同样以优异成绩毕业于剑桥大学的三一学院，并选择了专利律师为职业。1898 年夏天，他亦随同父亲，弟妹一起去瑞士登山。其间，为处理业务而提前离开瑞士，在去澳洲的途中听到登山队的噩耗。回到英国后，他毅然决定放弃待遇优渥的律师职业，以继承父亲在科学研究和工程教育领域内的未竟事业。他首先参与了英国几个城市的有轨电车的设计，并因管道电解的实验研究获得英国土木工程师学会的金奖。1903 年，他从几位竞聘者中脱颖而出，获聘为剑桥大学的机构学与应用力学讲座教授。此时他才 29 岁，虽然没有教学经验，但已在工程实践中显示了出众的才华。此后 15 年中，他以极大的热情领导刚诞生不久的剑桥工程系，在工程教学和实验室建设方面亲力亲为，对工程系的发展贡献良多。