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趣味力學現象三十四則

CAE技術交流2020-03-28 08:19:45

竹子的力學特性


竹與"松"、"梅"并稱"歲寒三友",向來是堅勁高潔的君子的象征。我國畫家李苦禪在他畫的竹子畫上題詞說:"木出土時先有節,長到凌云還虛心","節"、"虛心"、四季常青這幾種品質,怕是歷代的方便,一般都是采用階梯狀的變截面桿(階梯桿)來代替理論上的等強度桿。


例如,傲然矗立于馬來西亞檳城88層的云頂大廈,當今世界最高建筑,高達452m,是一個典型的"仿竹"杰作,它底部寬大,到一定的高度就變細一節,是一種階梯狀等強度管狀結構。正由于它具有合理的力學結構,才被大膽地建在一個多臺風的海邊城市。


再如。大型民用飛機的機翼,大都是采用平直的機翼,這種機翼是一種扁平的空心等強度結構,其翼肋象竹節一樣可提高機翼的抗彎強度,而空心結構在滿足足夠的抗彎強度前提下,大大地減輕了重量。綜上可知,竹子的合理力學結構,將在仿生學領域里大有作為。


秦陵銅車的力學原理


1980年從秦始皇陵西側出土的兩乘銅車馬,是仿照秦始皇生前出游的儀仗車制作的。約為真實車馬的1/2。銅車馬結作之精良,震驚中外。這一歷史文物不僅是舉世無雙的設計杰作和工藝精品,而且是秦代機械的曲型代表。在兩千多年前的秦代,中國機械設計的先驅者們已經能靈活巧妙地應用力學知識和原理進行機械設計了,這無可置疑地證明了,當時我國的科學技術走在世界的前列。


蹤跡隨風葉,程途犯斗槎


"蹤跡隨風葉,程途犯斗槎",詩人由景入情,以景寓情,用楓葉和船只所顯示的流體運動來形象、生動地比喻和描述遠行在外人的行跡和旅途。流動顯示是求不改變流體運動性質的前提下,用圖像顯示流體運動的方法,其任務是流體不可見的流動特征成為可見的。


俗話說"百聞不如一見",人們通過流動顯示看到了流場的特征,從而可進一步研究探索和應用流體運動規律?,F在以云來顯示大氣的流動,人們已很常見。如在每天中央電視臺的氣象預報節目中,人們能從電視屏幕上看到由云形成的千姿百態的流動圖案,顯示出在大氣中所發生的動力過程。


流動顯示是了解流體運動特性并深入探索其物理機制的一種直觀、有效的手段。它能發現新的流動現象,如層流和湍流二種流動狀態及轉換、漩渦、分離、激波、邊界層、壁湍流的相干結構等;也能為流體力學計算提供可靠的流動條件,如邊界層轉折點、激波位置、渦核位置/尾跡寬度等。

風乍起,吹皺一池春水


"風乍起,吹皺一池春水。"是馮延己(903-960,是南唐中主的丞相)一首詞的首句,作者用一個"皺"字將春風吹拂而過,使水面蕩漾起細微的波紋,使靜景成為動景,從力學角度來看,是一副流動不穩定性的畫面,即"風生波"問題,當觀察海面由由風吹起的波浪,當風速達到76.4m/S時,碎浪和蒸發率都突然增加,當風速增大到88.8m/s波浪的波長可增大到6cm。由于海洋開發利用的需要,風浪的發生機制問題至今仍是流體力學和海洋科學工作者關心和研究的課題。

漫話高壓鍋


通常在海平面上的大氣壓為101325pa這時水的沸點是100度;海拔升高大氣壓下降,如在海拔3000m處,大氣壓只有70000pa左右,這時水的沸點低于90度。我國青藏高原上平均海拔在4000m以上,因而水的沸點低于90度,這就是為什么在高原上煮飯不容易熟的道理。


為了提高水的沸點,就要將水的環境氣壓提高。高壓鍋正是利用加大鍋內局部壓力的辦法來提高水的環境壓力。為了避免由鍋內壓力升高引起高壓鍋爆炸的危險,如何使密閉容器內局部壓力保持一個固定值,這就是排氣閥的構造很簡單,實際上是一個金屬重塊和一個適當面積的排氣孔,如圖所示,設金屬塊的重量為w,排氣孔面積為s,則鍋內的氣壓被控制。當鍋內氣壓小于p時,排氣閥關閉,因為這時重塊的重量大于氣壓對它的壓力,重塊將排氣孔堵死;反之,當鍋內氣壓大于p時,氣體對重塊的總壓力大于重塊的重量,排氣閥便打開放氣。于是高壓鍋內的氣壓便可以維持為p。我國現在通用的高壓鍋,p的設定值為大氣壓左右,對應鍋內水的沸點大約為120度。


撈面條的學問


撈面條用筷子,這是一個常識,但卻有說法。用筷子挑面條,開始比較容易,問題是剩下最后幾根面條如何撈走。方法是,先使鍋離火,然后用筷子在鍋里做圓形攪拌,使面湯旋轉起來,這時面條便自然會集中到鍋底中心,用筷子到鍋中心去夾。如此重復幾次,面條便會一根不剩。


熟悉流體力學的人,不難對面條向鍋底集中給出解釋。這就是所謂二次流問題。如果將旋轉起來的面湯看為一運動,微團加速度指向圓心。其加速度與壓力梯度符號相反,壓強由鍋中心向鍋底是增加的,由于鍋底這層流速很小,慣性力與壓差不平衡,由此將面條帶到鍋底中心。


夜半鐘聲到客船


月落烏啼霜滿天,江楓漁火對愁眠。姑蘇城外寒山寺,夜半鐘聲到客船。這是唐朝詩人張繼寫的《楓橋夜泊》。讀這首詩,我們可以想象,那悠揚的夜半鐘聲,可以隔河傳到彼岸。


夜間聲音為什么會傳得遠呢?首先,聲音是聲源得振動擾動了空氣,擾動以波得形式往外傳。如果空氣中各點的聲音是相同的,由這個點傳出的聲波的波前是一個球面。如果聲音在大氣中不同高度傳播速度不同,這時波前就不再保持球面,而發生畸變,產生折射現象。白天同夜間,聲音傳播遠近不同,就是由這個折射現象產生的。白天,由于地面接受太陽輻射溫度高,地面聲音大于高空。這時聲音傳播路徑折向高空。在夜間,靠近地面空地面,聲音折向地面,這就是夜間聲音傳播相對遠的道理。


伐木的學問


用刀裁玻璃是先制造裂紋而后造成斷裂,售貨員撕布也是先在布邊剪一個小口,然后再撕開,用鋸子伐木等日常生活中隨處可見的現象都是斷力學方法最常見的例子。?


伐木時先用鋸子在靠近地面的地方把樹鋸出一條縫,也就是先加工出一條裂紋來,人們站在裂紋一側在裂紋上方盡可能高的且易于施力的地方用力推樹,這個裂紋受拉,是典型I型裂紋問題,這時造成樹干斷裂的原因主要是裂紋尖端的應力強度因為達到木頭的臨界斷裂韌性值,實際上,現在實驗室中測定材料斷裂韌性所用的柱狀三點彎曲試樣其原理和伐木及其相似。


早在魯班之前兩百多年的墓葬中就有鋸子了,由此看來人們用鋸子開制裂紋伐樹至少在2700多年以前就開始了。


峽江淑石水多漩


鉆火巴東岸,樅金峽口船。束江崖欲合,淑石水多漩。這是宋代詩人范成大所作"初入巫峽"五言律詩中的詩句。范成大的詩生動形象地描述了在長江三峽 段行舟所遇旋渦的驚險情景,有時能安穩行舟,江面上如熨轂一樣順利恬靜,但江水忽然翻滾而起如縑車翻攪,使人猝然不備。從范成大對漩渦形象描述中看出,他對旋渦產生的規律進行的思考。特別是"未嘗有定處,或無故突然而作"這段描述,與近代流體力學對壁湍流猝發現象的描述頗有相似之處。


實際上不只是江水中有旋渦,在自然界中我們可以經常到形形色色的流體旋渦。宇宙空間的旋渦星云可能是尺度最大的旋渦。夏季的臺風是反時鐘方向旋轉 的強烈旋渦。海面與地面上的龍卷風也是一種破壞性極強的旋渦。旋風分離器是靠人為制造的旋渦來分離由鍋爐排放出煙氣中的固體顆粒,使得煙筒只排放較潔凈的氣體,以達到環境保護的目的。


旋渦有害有利,所以科學工作者們在研究如何在生產過程中控制旋渦的產生和發展,并對自然界中有巨大破壞作用的旋渦加強預報,研究減輕災害的方法。

從土豆的內傷談起


家庭主婦們經常抱怨,好端端的土豆,一削皮就露出里邊的褐黑色的一塊塊壞斑,奇怪的時,買土豆時任你怎么挑選,也總是避免不了有壞斑這種倒霉的"內傷"蘋果、梨等水果中也時常遇到。


心細的學過力學的人,不難回答這個問題,原來毛病出在包裝運輸中,在裝車運輸土豆時人們總是想裝得多以提高效率,殊不知裝車時碰撞都給土豆造成許多內傷,土豆褐水果得"內傷"問題恰好是一個曲型得接觸問題。土豆和水果等許多材料都可以近似看作是最大剪應力,超過一定限度就產生破壞的材料。最大剪應力不發生在表面而在深層,而且半徑和壓力愈大,深度也愈大,實際接觸物體形狀雖然各式各樣,但上述規律是相同的。這是為什么土豆外表完好而內傷累累原因。?

西方古典建筑的力與美例析


在雅典衛戰的伊瑞先神廟建筑中,用女性外形作成柱子,體現了極大的藝術魅力。圖中示出女子形體柱中的女子右腿膝蓋稍微彎曲,給人的感覺似乎上部的重量僅落在她的左腿上。這就極為巧妙地將女性象征秀眉的人體美學觀點和僅用一條腿即可輕盈地支撐上部巨大的重量的力學感受完美地統一起來。


女性形體柱的長細模仿了真人的身體比例,近代希臘和羅馬女性的身體比例,如果以前后腰徑為1.0,則年青女子的身高平均值約在7.60~8.40這個比例,與象征女性柔美的愛奧尼克柱式,科林沁柱式的長細比非常接近。用女性形象作柱,不但可以使人從美學上有更高的享受,而且從力學的角度分析也是非常合理的。


由此可知,古希臘人和羅馬人對于石材柱的力學性能已經有了相當深入的認識。上面所研究的柱身有整根石料做成,還是分成若干個圓柱體疊成,對于軸心受壓柱來說,考慮壓桿的整體穩這就類似于現代鋼筋混凝土圓柱,盡管施工中需在柱的適當高度設置施工縫分段澆制,但在設計中并不考慮這些施工縫的影響。


萬有引力影響人的情緒


月球的引力對地球上的所有物資都會發生潮濕影響,對地球的固態地殼,每日也產生兩次輕微的凸起現象,不過不象海水潮濕那樣可以由明顯的觀察。這種潮濕現象現在對人身的影響,就是人的情緒、行為產生劇烈的波動。尤其對那些飲酒過量、憂郁癥病人,神經衰弱的人影響更加明顯。人體內有80%的物質是流體狀態,而液體的元素成分和已存在幾十億年的地球海水成分是一致的,即然月球引力對地球的海水產生潮濕現象,而對人產生情緒影響也是很自然的了。


理論證明,月球運動引起潮濕時,人體內的荷爾蒙,觸發神經電解液,神經機能,在這種突然外來的強大引力及其周圍的電磁場和沖擊下出現紊亂,人體內各部分的水分分布出現不均衡、神經系統會變得敏感、脆弱,超過了控制能力就會發生非正常的情緒作為。

使用拐杖的力學


先從健康者行走說起,當舉左腿向前邁進時,身體重心在地面上的垂直投影電(以后稱重心點)在右腳鞋底輪廓內。換舉右腿時,兩腳間距離不大,重心橫向擺幅不大。如果行走時故意增大兩腳間距離,則行走時重點軌跡橫向擺幅增加。重心縱向移動屬行走的目的,而橫向擺動過大不僅浪費氣力,且引起姿態失常。


受傷者借助單拐行走,當舉健康腿時,重心點位于患腿與拐杖之間,其位置決定于患腿承受體重的分量,受力愈小,重心點愈靠近拐杖,當拐杖置于健腿側,則行走時重心點軌跡類似正常行走,橫向擺幅小,若拐杖置于患腿側,舉健康腿側時,重心點將移出患腿外側,不僅行走時費力,姿態別扭,更嚴重的問題是由于橫向擺幅大降低橫向穩定性,容易摔倒。


野渡無人舟自橫


"獨憐幽草澗邊生,上有黃鸝深樹您鳴;春潮帶雨晚來急,野渡無人舟自橫。"當您反復吟誦這美麗的詩句時,如畫的意境重現在您的眼前,真是美不勝收???span>見您可曾想到蘊涵在這洗煉的詩句中還凝聚著詩人對力學現象的洞察力。


為什么小船總是橫在河里呢?這里有一個流體力學問題,直立在桌子上的細桿,是一個不穩定的平衡位置,而懸掛的直桿平衡是穩定的,前者,受一擾動后,重力形成的力矩將使細桿遠離平衡位置,后者力矩傾向于恢復平衡位置。由于流體運動時對物體產生合力和合力矩時比較復雜的。要想得到運動流體中物體平衡穩定的精確計算,經過許多力學家的努力,所以唐代詩人韋應物對船體穩定性能問題的觀察,比起西方精確描述的出現要早1000多年。


生理流動與醫學聽診


自然界和工程中粘性液體的流動有兩張基本狀態:層流和湍流,人體中的生理流動也是如此。在我們的身體中無時無刻不在持續著各種生理流動,其中關于生命和健康的最為重要的流動莫過于血液循環和氣體交換。


經實驗證明,人體呼吸系統中的氣體,而血液在一定條件下和關節液往往呈現非牛頓流體的特點。健康人體的血管和流動氣管等流動管道都具有良好的彈性,管壁可以吸收擾動能量,起著穩定作用,因而生理的轉折雷諾數要遠遠超過工程中的剛性管流雷諾數。


人體主動脈的平均雷諾數達到3400,在正常情況下,血流仍保持層流狀態。一般動脈流動的平均雷諾數為500,雷諾數峰值僅達到1000。正常人體循環系統中的血液幾乎保持著層狀流動。正常呼吸時,氣體一直保持層流狀態,唯當深呼吸或咳嗽時,才會發生湍流,此時雷諾數峰值高達50000。一旦循環系統和呼吸系統管道彈性減弱,那么吸收擾動能量的能力就要大打折扣。如果管道發生狹窄阻塞,內壁粗糙血粘度降低時,容易激發湍流。湍流發聲強度要遠遠大于層流,而且音調也有顯著差別,這就使得醫生憑一對訓練有素的耳朵和一只結構簡單的聽診器"聽"出許多病癥來。

郡亭枕上看潮頭


"山寺月中尋桂子,亭枕上看潮頭,"是白居易在"憶江南"中的詩句,描述的是錢塘江大潮洶涌澎湃、躺在郡街建造的亭子上,就能看見那卷云擁雪的壯麗景色。


那么什么是潮汐?為什么錢塘江的潮汐如此雄偉壯觀呢?從流體力學看,海洋潮汐是海水受引潮力作用而產生的海洋水體長周期波動的現象,它在鉛直方向表現為潮位升降,在水平方向表現為漲落。古人將早晨海水上漲稱為潮,黃昏上漲稱為汐,合稱為潮汐。月亮、太陽或其它天地對地球上單位質量物體的引力,與地心單位質量物體引力之差稱為潮力,當月亮、太陽的引潮力方向相同時,使潮差出現極大值。發生在杭州灣錢塘江口的潮水稱為暴漲現象,被稱之為錢塘江涌潮。


我國沿海的潮波主要是由太平洋傳入的,浙江沿岸,杭州灣一帶首當其沖,加上杭州灣聯接錢塘江水勢能增大,致使潮差在海寧高達8.93米,每年農歷八月十八日,恰逢臨近秋分大潮,加上正值雨季,平均海平面升高,如遇強勁東風或東南風,風助潮勢,涌潮景象更加壯觀。?


奇的優美圖


在力學中許多內在的、多元的復雜的關系,往往僅用一些優美而簡單的圖形,便可充分而完整的表現出來。?


1. 應力圓(圖a)主應力σ1,σ2,σ3。


2. 結構塑性極限分析的屈條(圖b)服件廣義應力Q1,Q2,實際屈服條件A;近似屈服條件B,C。?


3. 強度條件(圖c)最大拉應力強度理論的破壞條件T;最大剪應力強度理論破壞條件S;形比改變比能強度理論的破壞條件D。?


這些優美的圖形,全呈由方、圓、橢等簡單圖形所構成。它簡直可以和標媲美。


從反射斷裂談開去


人們開始關注和研究反射斷裂現象,可追溯到本世紀初葉。1994年由B.Hopkinson完成了一個頗具意義的實驗,當引爆了放置在厚鋼板的適量炸藥后,他發現與炸藥位置相對的鋼板背面卻發生了拉伸斷裂,一塊圓帽狀的金屬"癡片"攜帶動量飛迸出來。


固體中傳播的波可分為兩種,即集散波和畸變波。當任何一種波入射到兩種介質的交界面上時,將同時產生反射和折射。反射應力脈沖與入射應力波脈沖具有相同形狀。但應力符號經自表面在反射后改變為拉伸脈沖。如果傳播脈沖的介質的便可能造成自由表面附近的介質斷裂??梢杂梅瓷鋽嗔延^點成功地解釋裝甲車著彈時內壁"癡片"的剝落以及拋撒。淤泥中打樁時,樁府的破裂。"反射斷裂"并不總是充當"反面角色",在結構定向爆破時,它有時有用的了。


奇妙的軟彈簧--slinky


半個世紀前美國人R.T.James發現,在極軟的彈簧上可以觀察到十分奇異的力學現象。他將這種彈簧稱做slinky。這種彈簧的特點是極其柔軟,不受力時所有螺圈都互相接觸,因此只能拉伸不能壓縮。彈簧常數大約是普通彈簧的百分之一,將彈簧的兩個端面平放在手掌上彎成拱形,然后左右手交替上下移動,可以觀察到螺圈從左至右或從右至左交替急速翻滾,如圖所示。


最奇妙的是這種slinky彈簧能自動步行下樓。將彈簧的兩個端面平放在樓梯頂部不同高度的兩個臺階上,放手以后彈簧的高處端部會突然躍起,彎曲,下降到低處臺階。然后另一端部躍起,重復此過程,直到下降到樓梯的最底部為止。彈簧的運動就像是一個人躡足下樓時兩條腿的移動過程。slinky(英語意思為鬼鬼祟祟)這個名稱生動地反映出彈簧的運動特征。


怎樣制作笛子


笛子是非常普通的一種樂器,從小學生倒職業演奏家,從牧童倒文人雅士,都可以手燃一管,吹出自己喜愛的樂曲。樂器和力學有著密切的聯系,許多著名的力學家都從事過樂器的研究,笛子的制作也是典型的力學問題。笛子由吹孔到指孔長度同發音頻率的關系,應運用力學知識加以精確化。


奇異的電磁流變液體


電流變液體和磁流變液體是一種在電場或磁場里可發生狀態變化的物質,視所受場強的不同,可像水一樣流動,也可像蜂蜜那樣粘稠,還可以像骨膠一樣固化。而這種物質從一種狀態轉變成另一種狀態,所需時間很短。


如圖所示為簡單的磁流變制動器示意圖,實驗用的磁流變液體,由鐵屑和玉米油組成。鐵屑用放大鏡應能鑒別出單個顆粒,但其長度應小于0.5mm。由按重量計的25份玉米油對100份鐵屑攪拌混和而成。桿由不可能被磁化的材料做成。為更好地觀察實驗結果,可用一塑料盤與位于磁流變液體中的桿端相連接。桿與透明塑料容器間放置橡膠環,以使液體不泄漏。電磁體可用幾來取代電磁鐵。來加磁場前,桿的旋轉幾乎沒有阻力;當磁場加上時,液體馬上就固化了,桿已很難轉動了。電磁流變液體的應用前景十分令人振奮,已見到申請專利的元器件有離合器、液化閥、減速器等。


倒啤酒地學問


日常生活中,從瓶子里往杯中倒酒,若把瓶子拿得很高,讓啤酒柱沖向杯底,結果總是倒出一杯泡沫,杯子里的啤酒很少;而如果將杯子盡可能地傾斜,將杯口緊靠杯沿,讓啤酒緩慢地沿杯壁流向杯底,就可以倒滿一杯啤酒而不產生多少泡沫,這時候由于啤酒等清涼飲料都是二氧化碳的過飽和溶液,再不緊閉的條件下,二氧化碳會慢慢分離而散逸空中去,對于靜止在杯中的啤酒,壓強各處基本是均勻的,上層壓強略小于杯底,所以也是表面冒泡稍多,但是如果杯里的啤酒產生了不均勻流動,則各點上的壓強是不同的。


從流體力學伯努利定律知道,沿一根流線,速度的局部壓強小,這些速度大的地方這就是說如過想讓啤酒不冒泡地倒滿杯子,就應該在倒的過程中,盡量地減少啤酒中流體的相對速度,盡可能使注滿杯子的過程變為準靜態。?


漫話周期運動


在我們周圍眾多周期變化的事物中,有兩類特別引起人們的興趣,一類是日月星辰即天體的周期性變化,另一類是樂器的發聲天體運行和樂器振動的各種理論發展過程大致是:天體運動精確化描述;樂器的線性振動理論;天體動力學模型及樂器振動等幾個重要階段。天體運動不僅關系草木枯榮的周期變化,而且關系人類的作息,農事周期。樂器的發聲來自振動。振動也是一種周期運動,不同的是它的周期很短,比起天體的周期運動來說更難于觀測。聲由物體振動產生,而一般振動,如擊鼓所成的振動,總會由于材料的閃耗和介質的阻尼衰減而最終停止。


法國數學家、力學家和哲學家龐加萊深入研究了天體力學后,將天體的運行歸結為一組常微分方程。在此基礎上,蘇聯學者安得諾夫提出"自振"的概念。他認為"盡管這樣的系統中有摩擦,卻都存在不依于初條件的振動,這樣的振動稱為自振"。自振只有在非線性系統下才會出現。弓弦樂器、官樂器、簧樂器的發聲無不都是自振。

春蠶到死絲方盡


唐代詩人李商隱的這句詩膾炙人口,這其中也蘊涵著十分有趣的力學現象。蠶腹中有膠狀絲液,而形成結實而又漂亮的蠶絲的主要條件是拉力。蠶絲不是從蠶嘴里吐出來的,而是通過嘴巴的流量調節用力拉出來的。在現代化學纖維工業中,人們在模仿蠶所做的工作,用"拉伸"的辦法制造尼龍和滌綸等合成纖維。只是在開始做成絲狀時,先要對液體施加很大的壓力,使從一個小孔中擠壓出來,再去拉伸。


如何又快又好地拉出絲來,正是流變學中"拉絲流動"所研究地內容。實際商,我們還比不上蠶,還不能象蠶那樣只靠拉牽就能制出結實而漂亮地絲線來。蠶這個小生物身上還有許多問題有待我們去研究和探索。?

露珠不定始知圓


秋荷一滴露,清夜墜玄天,將來玉盤上,不定始知圓。這是唐代詩人韋應物的一首五言絕句。詩中"不定始知圓"的詩句,實際上是說,由于看到露珠在荷葉面上滾來滾去,方知也是球形。由現代科學來看,韋應物這首詩所描述正是一滴露珠在荷葉面上不潤濕的力學現象。潤濕是指液體與固體接觸時,沿固體表面擴展的現象。


在自然界,工作技術和日常生活中,潤濕和不潤濕的現象都有著重要的意義和作用。彩色感光材料和錄音,錄像磁帶在生產過程中都是要將配置好的感光材料涂液或滋漿,又快又均勻地涂布到固體薄片基上,然后再干燥、裁切、包裝成產品。在生活中,墻壁的刷漿也都有類似的潤濕性能好的問題。有時也希望應用不同的防水用品,都希望水對其不濕潤。例如風雨衣,就希望雨水打在衣服上后完全不潤濕,形成水珠落下。


冰海沉船的啟示


說到冰海沉船人們很自然地會想到英國白星航運公司的豪華郵輪"鐵坦尼號"觸冰山而沉沒的悲愴一幕,更由于《鐵坦尼克》這部電影的生動描述,當年的悲壯場面令人終生難忘。"鐵坦尼克"號是當時最大、最豪華的郵輪,排水量為4600T,有海上都城之稱。


為什么與冰川的一次沖撞竟會產生90多米長的大裂紋?有沒有辦法保證即使撞上冰山也不會導致輪船沉沒呢?一批才華出眾的專家、學者開始在實驗室中研究鋼材的低溫性能。結論很快就清楚了:鋼材在低溫下會變脆,在極低的溫度下甚至象陶瓷那樣經不起沖擊和震動。材料抗沖擊、抗斷裂的能力稱之為韌性。


實驗表明,鋼材的斷裂性是隨溫度升高而增加的。在某一個溫度范圍之內,鋼由脆性破壞很快地轉化為塑性破壞。對于船舶用鋼來說,韌性-脆性轉變溫度大約在-40度--0度之間,而"鐵坦尼克"號正是在這一溫度范圍內航行的,所以輪船由于裂紋等缺陷的存在而發生脆性斷裂就不足為怪了。


通常裂紋導致脆斷是突然發生的,其破壞力十分驚人。人們對鋼材低溫性能的了解為造船的選材提供了科學的依據,選用轉變溫度遠低于使用溫度的鋼?材可以有效地防止結構發生低溫脆斷。事隔77年,蘇聯大型游覽客輪"馬克希姆.高爾基"號在北大西洋與冰山相撞,船頭頓時裂條長6m長15cm寬的縫。然而此次事故無一傷亡。人們是否會想"馬克希姆.高爾基"號比"鐵坦尼克"號幸運并非偶然呢?

力學與美學1


在生活和工作實踐中,可以發現許許多多力學與美學巧妙結合的奇跡。即使是在遙遠的古代,人類也知道和需要美,以舉世聞名的河北省趙縣的趙州橋作例。該橋為李春創于隋大業初年,是一座空腹式的圓弧形面拱橋、凈跨37.02m,寬9m,拱天高度7.23m。在拱圈兩肩和增加美觀。它的設計構思和藝術造型可說是達到了力學與美學角度的和諧統一。


在力學的自然現象以及人類行為的力學效應中,有一種自然美,這類自然美,可常見于例如地應力的分布,土坡的圓弧滑動,以及表示裂隙光體滲透性的滲透橢圓等自然界力學現象中。?


力學與美學2


藍天中的航機,碧水里的海船,綠地上的汽車,那賞心悅目的流線外形,由于阻力的減少,極大地提高了它們的速度。力學與美學形成了一個和諧的統一體。?達.芬奇認為0.618黃金分割是美的原則,比例1:1.618是形式美的基本規律,人類正是利用了這個規律創造了美的奇跡,馳名世界的胡夫金字塔其高度與寬度之比為1:1.6:風姿嫵媚的愛神"維納斯"和剛毅健美的太陽神"阿波羅"塑像,下肢與其身高之比例接近于1:1.6。


在力學中已經證明,從圓木中切取矩形截面梁,從強度上考慮,最優的寬高比則為1:根號2,而從梁的剛度出發,最優的寬高比為1:根號3。我國宋朝李誡在《營造法式》中,巧妙地規定矩形截面地寬高比為1:1.5,他既考慮了梁的強度和剛度根號2<1.5<根號3,更重要的是他認為這更接近于黃金分割點。優美的仿宋字體其寬高比正是1:1.5。?

洗碗中有力學


盛餐完畢,客人云散,最發愁的大概時洗刷那堆積如山的盤子。然而洗滌靈卻能解決這個煩人的問題。這一家務勞動中存在著奇妙的力學現象。原來表面張力在起著作用。洗滌靈是一種活性劑,它是由易溶于水的親水基和易溶于油的親油基兩個基團組成,這種兩個基團組成的結構特性使它與水拌合后大大降低水的張力?;钚詣┻@種分子結構合降低表面張力的功能使油水不但不再相互排斥,而且能把油水聯合起來形成均勻的液體,或者說,油溶解于水中,自然碗上的油污就不存在了。


工程界受這種洗碗中力學現象的啟發,應用于工程建設,取得了效益極大的成功。即:將固體瀝青這種油性物質加熱后,加上一定比例的水和陽離子活性劑制成的瀝青乳液,用于道路建設,提高了施工質量和進度。?

兵無常勢,水無常形


"兵無常勢,水無常形"是孫子兵法《虛實篇》中的一句話,意思是:用兵作戰如同水的流動。水因地勢高低而不斷改變流向,用兵作戰要根據敵情變化而決定其取勝的方針。?


在常溫常壓下,物資分為固體、液體和氣體三種狀態,對于固體,分子間相互作用力較強,無規則運動較弱,不易變形;氣體分子間作用力較弱,無規則運動劇烈,易于變形和壓縮。液體易變形,不易壓縮。氣體和液體統稱為流體。從力學分析角度通常認為,流體與固體的主要區別在于它們對于外力的抵抗能力是不同的。固體有能力抵抗一定大小的拉力、壓力剪切力。當外力作用在固體上時,固體將產生一定程度的相應變形。外力不變,變形也不變。而液體在靜止時不能承受切向應力,只要有微小剪切作用,都將使流體產生連續不變的變形,外力停止作用,變形才會停止。流體這種在外力作用下連續不斷變形的宏觀特征,通常稱為流動性。


在人文社會科學中,也經??梢钥吹奖葦M流體流動所引出的許多概念和術語。如文學創作上一種方法稱為"意識流";其他方面的如:"人才流動"、"流水作業"、"學潮"、"民工潮"、"金融潮"等。?

奇妙的爆炸聚能


細心的人會注意到雷管尾故弄玄虛,而是因為有了它,雷管的引爆力將大大提高。小小凹穴為何能提高引爆能呢?通過實驗可以證明,實驗用同一種炸藥,藥柱幾何尺寸相同,但底部形狀不同。A為平底,B為底部有錐形凹穴,C和D部在凹穴中加了一個圓錐形銅罩。實驗顯示如圖,凹穴(錐孔)改變了爆炸能量在空間的分布,大大增強了錐孔方向的破壞效果。因此人們將這種底部帶凹穴的炸藥稱之為聚能炸藥,其爆炸為聚能爆炸。聚能爆炸廣泛用于魚雷、導彈、火箭彈等軍事領域,用以摧毀敵坦克、裝甲、倉庫、混凝土防御工事、飛行器等。


從噗口噔兒談非線性


噗口噔兒,是一種用玻璃吹制而成的玩具,吹制的辦法是,先將玻璃拉成一根管子,然后將它的端部都吹成一個球,最后趁玻璃還軟,在一個微小的平面上 一摁,使底平面略向內凹,待冷卻后即成。玩的時候對著管端輕輕吹氣,當內部氣壓略大時,底兒便變形而實現外凸,隨之噗地一響然后在吹氣,隨著內部 壓力減小,底兒又噗地一響變為內凹,這樣一吹一吸,使響不停,很好玩。


噗口噔兒發明很早,最早研究它地時1939年美國力學家馮卡門和他的中國學生錢學森,他們將這類問題簡化為一個球殼在外壓作用下失穩問題。后來人們把 變形突然跳動稱為彈性突跳。彈性突跳現象在工程中與生活中有不少應用。如計算機或計算器的按鍵,高壓配電的電閘等,就利用彈性突跳元件。噗口噔兒也是彈性材料,但它的力學變形曲線卻不是線性的,不服從虎克定律,其原因就是,虎克定律研究的是小變形。

走路的力學


活動離不開走路,但學會走路并不容易。原始人類從四足爬行進化到雙足直立行走,經歷了1000多萬年漫長的歷程。從靜力學角度分析,雙足步行與四足爬行的最大區別在于:四足爬行可以保證質心不越出支承足與地面的接觸點圍成的區域,因此每個時刻都處于靜力學平衡狀態。


而雙足步行只有一個支點,重心經常越出支承足與地面的接觸范圍,處于靜力學不平衡狀態。人在走路時重心總是位于支點的上方,相當于一個倒置的復擺。簡單的動力學分析可以證明,倒擺的垂直平衡狀態總是不穩定的,倒擺的運動局限在垂直的位置附近的小范圍內,支點的控制作用可使倒擺的垂直平衡位置從不穩定轉為穩定。


在實際步行運動中,經過訓練的人會要求人體重心在支點后方時,足底的摩

擦力朝后,則隨重心的前移而減小。當重心移到質點的前方時,摩擦力變向改為朝前。穿上底部有花紋的防滑鞋可使摩擦系數增大,穩定域也隨之擴大。當運動員身體前傾|、步長增大時仍能保證步行的穩定性。


傲嬌一族步行上下班


必備物,車把式一揚鞭子,空中嘎然作響,拉車的牲口便應聲而奮蹄奔跑。鞭子一甩為什么會發生清脆的響聲,原來在甩鞭子時,在鞭鞘部分的移動的速度大得驚人,可以超過聲速。這就使局部造成沖擊波,于是我們便可聽到一記清脆的響聲。在我國古代,鞭子除了用于驅趕牲口外,還有一項有趣的用處是:利用鞭子造成的響聲為某些禮儀增加威嚴氣氛。


在日常生活中利用鞭鞘效應的現象還是有,把衣服提起來一抖將灰塵抖落;用一根長鉤桿,將果子所在的細枝一搖,果子便可抖落下來?,F代高層建筑、電視塔等,在風中來回晃動,由于晃動使應力趨常增加的現象,有時也稱為"鞭鞘效應"。





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