趣味力学现象三十四则

引用 weixin 2016-12-29 13:35

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神奇的优美图

在力学中许多内在的、多元的复杂的关系，往往仅用一些优美而简单的图形，便可充分而完整的表现出来。

1. 应力圆(图a)主应力σ1，σ2，σ3。

2. 结构塑性极限分析的屈条(图b)服件广义应力Q1，Q2，实际屈服条件A；近似屈服条件B，C。

3. 强度条件(图c)最大拉应力强度理论的破坏条件T；最大剪应力强度理论破坏条件S；形比改变比能强度理论的破坏条件D。

这些优美的图形，全呈由方、圆、椭等简单图形所构成。它简直可以和标媲美。

从反射断裂谈开去

人们开始关注和研究反射断裂现象，可追溯到本世纪初叶。1994年由B.Hopkinson完成了一个颇具意义的实验，当引爆了放置在厚钢板的适量炸药后，他发现与炸药位置相对的钢板背面却发生了拉伸断裂，一块圆帽状的金属"痴片"携带动量飞迸出来。

固体中传播的波可分为两种，即集散波和畸变波。当任何一种波入射到两种介质的交界面上时，将同时产生反射和折射。反射应力脉冲与入射应力波脉冲具有相同形状。但应力符号经自表面在反射后改变为拉伸脉冲。如果传播脉冲的介质的便可能造成自由表面附近的介质断裂。可以用反射断裂观点成功地解释装甲车着弹时内壁"痴片"的剥落以及抛撒。淤泥中打桩时，桩府的破裂。"反射断裂"并不总是充当"反面角色"，在结构定向爆破时，它有时有用的了。

奇妙的软弹簧--slinky

半个世纪前美国人R.T.James发现，在极软的弹簧上可以观察到十分奇异的力学现象。他将这种弹簧称做slinky。这种弹簧的特点是极其柔软，不受力时所有螺圈都互相接触，因此只能拉伸不能压缩。弹簧常数大约是普通弹簧的百分之一，将弹簧的两个端面平放在手掌上弯成拱形，然后左右手交替上下移动，可以观察到螺圈从左至右或从右至左交替急速翻滚，如图所示。

最奇妙的是这种slinky弹簧能自动步行下楼。将弹簧的两个端面平放在楼梯顶部不同高度的两个台阶上，放手以后弹簧的高处端部会突然跃起，弯曲，下降到低处台阶。然后另一端部跃起，重复此过程，直到下降到楼梯的最底部为止。弹簧的运动就像是一个人蹑足下楼时两条腿的移动过程。slinky(英语意思为鬼鬼祟祟)这个名称生动地反映出弹簧的运动特征。

怎样制作笛子

笛子是非常普通的一种乐器，从小学生倒职业演奏家，从牧童倒文人雅士，都可以手燃一管，吹出自己喜爱的乐曲。乐器和力学有着密切的联系，许多著名的力学家都从事过乐器的研究，笛子的制作也是典型的力学问题。笛子由吹孔到指孔长度同发音频率的关系，应运用力学知识加以精确化。

奇异的电磁流变液体

电流变液体和磁流变液体是一种在电场或磁场里可发生状态变化的物质，视所受场强的不同，可像水一样流动，也可像蜂蜜那样粘稠，还可以像骨胶一样固化。而这种物质从一种状态转变成另一种状态，所需时间很短。

如图所示为简单的磁流变制动器示意图，实验用的磁流变液体，由铁屑和玉米油组成。铁屑用放大镜应能鉴别出单个颗粒，但其长度应小于0.5mm。由按重量计的25份玉米油对100份铁屑搅拌混和而成。杆由不可能被磁化的材料做成。为更好地观察实验结果，可用一塑料盘与位于磁流变液体中的杆端相连接。杆与透明塑料容器间放置橡胶环，以使液体不泄漏。电磁体可用几来取代电磁铁。来加磁场前，杆的旋转几乎没有阻力；当磁场加上时，液体马上就固化了，杆已很难转动了。电磁流变液体的应用前景十分令人振奋，已见到申请专利的元器件有离合器、液化阀、减速器等。

倒啤酒地学问

日常生活中，从瓶子里往杯中倒酒，若把瓶子拿得很高，让啤酒柱冲向杯底，结果总是倒出一杯泡沫，杯子里的啤酒很少；而如果将杯子尽可能地倾斜，将杯口紧靠杯沿，让啤酒缓慢地沿杯壁流向杯底，就可以倒满一杯啤酒而不产生多少泡沫，这时候由于啤酒等清凉饮料都是二氧化碳的过饱和溶液，再不紧闭的条件下，二氧化碳会慢慢分离而散逸空中去，对于静止在杯中的啤酒，压强各处基本是均匀的，上层压强略小于杯底，所以也是表面冒泡稍多，但是如果杯里的啤酒产生了不均匀流动，则各点上的压强是不同的。

从流体力学伯努利定律知道，沿一根流线，速度的局部压强小，这些速度大的地方这就是说如过想让啤酒不冒泡地倒满杯子，就应该在倒的过程中，尽量地减少啤酒中流体的相对速度，尽可能使注满杯子的过程变为准静态。

漫话周期运动

在我们周围众多周期变化的事物中，有两类特别引起人们的兴趣，一类是日月星辰即天体的周期性变化，另一类是乐器的发声天体运行和乐器振动的各种理论发展过程大致是：天体运动精确化描述；乐器的线性振动理论；天体动力学模型及乐器振动等几个重要阶段。天体运动不仅关系草木枯荣的周期变化，而且关系人类的作息，农事周期。乐器的发声来自振动。振动也是一种周期运动，不同的是它的周期很短，比起天体的周期运动来说更难于观测。声由物体振动产生，而一般振动，如击鼓所成的振动，总会由于材料的闪耗和介质的阻尼衰减而最终停止。

法国数学家、力学家和哲学家庞加莱深入研究了天体力学后，将天体的运行归结为一组常微分方程。在此基础上，苏联学者安得诺夫提出"自振"的概念。他认为"尽管这样的系统中有摩擦，却都存在不依于初条件的振动，这样的振动称为自振"。自振只有在非线性系统下才会出现。弓弦乐器、官乐器、簧乐器的发声无不都是自振。

春蚕到死丝方尽

唐代诗人李商隐的这句诗脍炙人口，这其中也蕴涵着十分有趣的力学现象。蚕腹中有胶状丝液，而形成结实而又漂亮的蚕丝的主要条件是拉力。蚕丝不是从蚕嘴里吐出来的，而是通过嘴巴的流量调节用力拉出来的。在现代化学纤维工业中，人们在模仿蚕所做的工作，用"拉伸"的办法制造尼龙和涤纶等合成纤维。只是在开始做成丝状时，先要对液体施加很大的压力，使从一个小孔中挤压出来，再去拉伸。

如何又快又好地拉出丝来，正是流变学中"拉丝流动"所研究地内容。实际商，我们还比不上蚕，还不能象蚕那样只靠拉牵就能制出结实而漂亮地丝线来。蚕这个小生物身上还有许多问题有待我们去研究和探索。

露珠不定始知圆

秋荷一滴露，清夜坠玄天，将来玉盘上，不定始知圆。这是唐代诗人韦应物的一首五言绝句。诗中"不定始知圆"的诗句，实际上是说，由于看到露珠在荷叶面上滚来滚去，方知也是球形。由现代科学来看，韦应物这首诗所描述正是一滴露珠在荷叶面上不润湿的力学现象。润湿是指液体与固体接触时，沿固体表面扩展的现象。

在自然界，工作技术和日常生活中，润湿和不润湿的现象都有着重要的意义和作用。彩色感光材料和录音，录像磁带在生产过程中都是要将配置好的感光材料涂液或滋浆，又快又均匀地涂布到固体薄片基上，然后再干燥、裁切、包装成产品。在生活中，墙壁的刷浆也都有类似的润湿性能好的问题。有时也希望应用不同的防水用品，都希望水对其不湿润。例如风雨衣，就希望雨水打在衣服上后完全不润湿，形成水珠落下。

冰海沉船的启示

说到冰海沉船人们很自然地会想到英国白星航运公司的豪华邮轮"铁坦尼号"触冰山而沉没的悲怆一幕，更由于《铁坦尼克》这部电影的生动描述，当年的悲壮场面令人终生难忘。"铁坦尼克"号是当时最大、最豪华的邮轮，排水量为4600T，有海上都城之称。

为什么与冰川的一次冲撞竟会产生90多米长的大裂纹？有没有办法保证即使撞上冰山也不会导致轮船沉没呢？一批才华出众的专家、学者开始在实验室中研究钢材的低温性能。结论很快就清楚了：钢材在低温下会变脆，在极低的温度下甚至象陶瓷那样经不起冲击和震动。材料抗冲击、抗断裂的能力称之为韧性。

实验表明，钢材的断裂性是随温度升高而增加的。在某一个温度范围之内，钢由脆性破坏很快地转化为塑性破坏。对于船舶用钢来说，韧性-脆性转变温度大约在-40度--0度之间，而"铁坦尼克"号正是在这一温度范围内航行的，所以轮船由于裂纹等缺陷的存在而发生脆性断裂就不足为怪了。

通常裂纹导致脆断是突然发生的，其破坏力十分惊人。人们对钢材低温性能的了解为造船的选材提供了科学的依据，选用转变温度远低于使用温度的钢 材可以有效地防止结构发生低温脆断。事隔77年，苏联大型游览客轮"马克希姆.高尔基"号在北大西洋与冰山相撞，船头顿时裂条长6m长15cm宽的缝。然而此次事故无一伤亡。人们是否会想"马克希姆.高尔基"号比"铁坦尼克"号幸运并非偶然呢？

力学与美学1

在生活和工作实践中，可以发现许许多多力学与美学巧妙结合的奇迹。即使是在遥远的古代，人类也知道和需要美，以举世闻名的河北省赵县的赵州桥作例。该桥为李春创于隋大业初年，是一座空腹式的圆弧形面拱桥、净跨37.02m，宽9m，拱天高度7.23m。在拱圈两肩和增加美观。它的设计构思和艺术造型可说是达到了力学与美学角度的和谐统一。

在力学的自然现象以及人类行为的力学效应中，有一种自然美，这类自然美，可常见于例如地应力的分布，土坡的圆弧滑动，以及表示裂隙光体渗透性的渗透椭圆等自然界力学现象中。

力学与美学2

蓝天中的航机，碧水里的海船，绿地上的汽车，那赏心悦目的流线外形，由于阻力的减少，极大地提高了它们的速度。力学与美学形成了一个和谐的统一体。 达.芬奇认为0.618黄金分割是美的原则，比例1：1.618是形式美的基本规律，人类正是利用了这个规律创造了美的奇迹，驰名世界的胡夫金字塔其高度与宽度之比为1：1.6：风姿妩媚的爱神"维纳斯"和刚毅健美的太阳神"阿波罗"塑像，下肢与其身高之比例接近于1：1.6。

在力学中已经证明，从圆木中切取矩形截面梁，从强度上考虑，最优的宽高比则为1：根号2，而从梁的刚度出发，最优的宽高比为1：根号3。我国宋朝李诫在《营造法式》中，巧妙地规定矩形截面地宽高比为1：1.5，他既考虑了梁的强度和刚度根号2<1.5<根号3，更重要的是他认为这更接近于黄金分割点。优美的仿宋字体其宽高比正是1：1.5。

洗碗中有力学

盛餐完毕，客人云散，最发愁的大概时洗刷那堆积如山的盘子。然而洗涤灵却能解决这个烦人的问题。这一家务劳动中存在着奇妙的力学现象。原来表面张力在起着作用。洗涤灵是一种活性剂，它是由易溶于水的亲水基和易溶于油的亲油基两个基团组成，这种两个基团组成的结构特性使它与水拌合后大大降低水的张力。活性剂这种分子结构合降低表面张力的功能使油水不但不再相互排斥，而且能把油水联合起来形成均匀的液体，或者说，油溶解于水中，自然碗上的油污就不存在了。

工程界受这种洗碗中力学现象的启发，应用于工程建设，取得了效益极大的成功。即：将固体沥青这种油性物质加热后，加上一定比例的水和阳离子活性剂制成的沥青乳液，用于道路建设，提高了施工质量和进度。

兵无常势，水无常形

"兵无常势，水无常形"是孙子兵法《虚实篇》中的一句话，意思是：用兵作战如同水的流动。水因地势高低而不断改变流向，用兵作战要根据敌情变化而决定其取胜的方针。

在常温常压下，物资分为固体、液体和气体三种状态，对于固体，分子间相互作用力较强，无规则运动较弱，不易变形;气体分子间作用力较弱，无规则运动剧烈，易于变形和压缩。液体易变形，不易压缩。气体和液体统称为流体。从力学分析角度通常认为，流体与固体的主要区别在于它们对于外力的抵抗能力是不同的。固体有能力抵抗一定大小的拉力、压力剪切力。当外力作用在固体上时，固体将产生一定程度的相应变形。外力不变，变形也不变。而液体在静止时不能承受切向应力，只要有微小剪切作用，都将使流体产生连续不变的变形，外力停止作用，变形才会停止。流体这种在外力作用下连续不断变形的宏观特征，通常称为流动性。

在人文社会科学中，也经常可以看到比拟流体流动所引出的许多概念和术语。如文学创作上一种方法称为"意识流"；其他方面的如："人才流动"、"流水作业"、"学潮"、"民工潮"、"金融潮"等。

奇妙的爆炸聚能

细心的人会注意到雷管尾故弄玄虚，而是因为有了它，雷管的引爆力将大大提高。小小凹穴为何能提高引爆能呢？通过实验可以证明，实验用同一种炸药，药柱几何尺寸相同，但底部形状不同。A为平底，B为底部有锥形凹穴，C和D部在凹穴中加了一个圆锥形铜罩。实验显示如图，凹穴(锥孔)改变了爆炸能量在空间的分布，大大增强了锥孔方向的破坏效果。因此人们将这种底部带凹穴的炸药称之为聚能炸药，其爆炸为聚能爆炸。聚能爆炸广泛用于鱼雷、导弹、火箭弹等军事领域，用以摧毁敌坦克、装甲、仓库、混凝土防御工事、飞行器等。

从噗口噔儿谈非线性

噗口噔儿，是一种用玻璃吹制而成的玩具，吹制的办法是，先将玻璃拉成一根管子，然后将它的端部都吹成一个球，最后趁玻璃还软，在一个微小的平面上 一摁，使底平面略向内凹，待冷却后即成。玩的时候对着管端轻轻吹气，当内部气压略大时，底儿便变形而实现外凸，随之噗地一响然后在吹气，随着内部 压力减小，底儿又噗地一响变为内凹，这样一吹一吸，使响不停，很好玩。

噗口噔儿发明很早，最早研究它地时1939年美国力学家冯卡门和他的中国学生钱学森，他们将这类问题简化为一个球壳在外压作用下失稳问题。后来人们把 变形突然跳动称为弹性突跳。弹性突跳现象在工程中与生活中有不少应用。如计算机或计算器的按键，高压配电的电闸等，就利用弹性突跳元件。噗口噔儿也是弹性材料，但它的力学变形曲线却不是线性的，不服从虎克定律，其原因就是，虎克定律研究的是小变形。

走路的力学

活动离不开走路，但学会走路并不容易。原始人类从四足爬行进化到双足直立行走，经历了1000多万年漫长的历程。从静力学角度分析，双足步行与四足爬行的最大区别在于：四足爬行可以保证质心不越出支承足与地面的接触点围成的区域，因此每个时刻都处于静力学平衡状态。

而双足步行只有一个支点，重心经常越出支承足与地面的接触范围，处于静力学不平衡状态。人在走路时重心总是位于支点的上方，相当于一个倒置的复摆。简单的动力学分析可以证明，倒摆的垂直平衡状态总是不稳定的，倒摆的运动局限在垂直的位置附近的小范围内，支点的控制作用可使倒摆的垂直平衡位置从不稳定转为稳定。

在实际步行运动中，经过训练的人会要求人体重心在支点后方时，足底的摩
擦力朝后，则随重心的前移而减小。当重心移到质点的前方时，摩擦力变向改为朝前。穿上底部有花纹的防滑鞋可使摩擦系数增大，稳定域也随之扩大。当运动员身体前倾|、步长增大时仍能保证步行的稳定性。

傲娇一族步行上下班

必备物，车把式一扬鞭子，空中嘎然作响，拉车的牲口便应声而奋蹄奔跑。鞭子一甩为什么会发生清脆的响声，原来在甩鞭子时，在鞭鞘部分的移动的速度大得惊人，可以超过声速。这就使局部造成冲击波，于是我们便可听到一记清脆的响声。在我国古代，鞭子除了用于驱赶牲口外，还有一项有趣的用处是：利用鞭子造成的响声为某些礼仪增加威严气氛。

在日常生活中利用鞭鞘效应的现象还是有，把衣服提起来一抖将灰尘抖落；用一根长钩杆，将果子所在的细枝一摇，果子便可抖落下来。现代高层建筑、电视塔等，在风中来回晃动，由于晃动使应力趋常增加的现象，有时也称为"鞭鞘效应"。

本文来源于百度文库《趣味力学现象》一文

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