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"。 |
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