生活中的材料力學(xué)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上生活中的材料力學(xué)羅暉淼 摘要：在我們身邊的每一個(gè)角落都運(yùn)用到了材料力學(xué)的原理。學(xué)完材料力學(xué)之后，用另一個(gè)角度去剖析生活中的材料力學(xué)現(xiàn)象，別有一番風(fēng)味。關(guān)鍵字：應(yīng)力集中，動(dòng)載荷，穩(wěn)定性一：應(yīng)力集中大家可能都有過類似的體驗(yàn)，那就是有些零食的外包裝非常平整美觀，可是卻不實(shí)用，它們經(jīng)常因?yàn)樗翰婚_而遭到我們的嫌棄。相反，有些小零食的包裝袋上會(huì)有一排鋸齒的形狀，而當(dāng)我們沿著鋸齒的凹槽撕的時(shí)候，無論這個(gè)包裝所用的材料多么特殊，都能輕松地撕開一個(gè)大口子。這是為什么呢？這其實(shí)運(yùn)用到了圣維南原理。當(dāng)我們沿著鋸齒的凹槽撕的時(shí)候，手指所加的力是垂直于包裝袋的，因此切應(yīng)力都集中在了凹槽處，即產(chǎn)

2、生應(yīng)力集中現(xiàn)象。此時(shí)凹槽處的切應(yīng)力會(huì)急劇增大，那么只要手指稍稍用力，就很容易從這個(gè)凹槽將包裝袋撕開。MM這種應(yīng)用應(yīng)力集中的現(xiàn)象生活中還有很多。比如掰黃瓜，有時(shí)候我們想把黃瓜掰成兩段時(shí)，往往會(huì)先用指甲在黃瓜中間掐一個(gè)小縫，然后雙手用力一掰，黃瓜就很容易被掰成兩段。同樣的，因?yàn)樵谛】p處應(yīng)力集中，黃瓜上作用的兩個(gè)力矩使得縫隙處的切應(yīng)力急劇增大，于是黃瓜中間截面發(fā)生脆斷。再比如撕布條，如果一塊完整的布條要將其撕成兩半是很困難的，除非有很大的力把它拉斷，而我們一般人是沒有那么大的力氣的，怎么辦呢？通常我們會(huì)用剪刀在布條上剪出一個(gè)小缺口，然后沿著缺口撕開布條，其原理和食品包裝袋是一樣的。既然應(yīng)力集中給我們

3、的生活帶來了這么多的便利，那是不是應(yīng)力集中越多越好呢？其實(shí)并不是，在工程上，基本都需要避免應(yīng)力集中。像那些大橋，飛機(jī)，機(jī)床，建筑等大型工業(yè)結(jié)構(gòu)，為了保證其堅(jiān)固耐用壽命長，容易發(fā)生應(yīng)力集中的地方如鉚釘連接都需要特別地注意。所以工字鋼并不是標(biāo)準(zhǔn)的工字型，在直角處都改造成了弧線形過度，就是為了防止工字鋼因應(yīng)力集中而斷裂。工程上的這些問題可比生活中的小問題嚴(yán)重得多，一個(gè)小問題都有可能導(dǎo)致重大的事故。曾經(jīng)有一起飛行事故：飛機(jī)起落架里的一個(gè)小零件由于應(yīng)力集中而發(fā)生斷裂，卡在那里，導(dǎo)致起落架無法放下。不過還好，憑借飛行員高超的技術(shù)最終還是平安降落了。二：動(dòng)載荷體重計(jì)生活中其實(shí)有一個(gè)有趣的小現(xiàn)象：在稱體重時(shí)，

4、如果很緩慢地站上去，體重計(jì)的示數(shù)也將慢慢增加，直至我們的真實(shí)體重，而如果我們一下子跳上去，體重計(jì)會(huì)在一瞬間飆到一百多公斤，然后再降回到我們的真實(shí)體重。這又是為什么呢？這里其實(shí)運(yùn)用到了沖擊載荷的知識(shí)。自由落體沖擊是的動(dòng)荷因數(shù)為： 假設(shè)我們突然站上體重計(jì)時(shí)h=0，那么動(dòng)荷因數(shù)就為2，也就是說站上去的那一瞬間給體重計(jì)加的動(dòng)載荷是我們正常體重的2倍，所以我們能看到體重計(jì)示數(shù)一下升到一百多公斤。不過，這樣的動(dòng)載荷其實(shí)并不好，如果經(jīng)常這樣稱體重，容易損壞體重計(jì)。同樣的還有一個(gè)例子就是在乘電梯時(shí)也應(yīng)該注意不要上下亂跳。有時(shí)和小孩一起乘坐電梯的時(shí)候會(huì)看到調(diào)皮的小孩在電梯里亂跳，這時(shí)我們會(huì)明顯感覺到電梯劇烈地抖

5、動(dòng)，甚至還會(huì)害怕拉電梯的繩索崩斷?？墒切『⒉⒉皇翘?，為什么能讓電梯有如此大的反應(yīng)呢？我們通過上述的動(dòng)荷因數(shù)來分析一下：假設(shè)是一個(gè)小學(xué)生，他的體重是30公斤，這時(shí)他已經(jīng)跳起在半空中，一個(gè)小學(xué)生大概跳0.2米。因?yàn)樗诎肟罩?，所以這時(shí)他對(duì)電梯的作用載荷為0，落回電梯上時(shí)，動(dòng)荷因數(shù)為2.007，也就是2。那么他將給電梯帶來600牛的動(dòng)載荷，而起跳前向下蹬時(shí)也會(huì)給電梯帶來這么多的動(dòng)載荷。電梯在相差600牛的兩個(gè)載荷之間來回轉(zhuǎn)換，對(duì)拉電梯的繩索也是一次次的沖擊力，假如這個(gè)電梯質(zhì)量并不是非常好，繩索很容易就斷了，那么就會(huì)造成慘重的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失。因此我們乘坐電梯時(shí)應(yīng)該安安靜靜地乘坐，不能在電梯里打鬧

6、，上躥下跳，為了自己，也為了他人的安全。曾經(jīng)看過一個(gè)電視節(jié)目，上面有一個(gè)游戲，讓參與者把一枚雞蛋拋過頭頂，然后用一個(gè)陶瓷盤子接住雞蛋，但不能讓雞蛋破碎。當(dāng)時(shí)很多人都是把雞蛋往上一扔，傻傻地站在那等，結(jié)果無一例外，雞蛋全都碎了。最后有一個(gè)聰明的觀眾站出來，他把雞蛋往上一扔，手里的盤子也隨雞蛋移動(dòng)，當(dāng)雞蛋下落時(shí)，手拿著盤子也按著雞蛋的軌跡慢慢下落，逐漸停穩(wěn)雞蛋，成功了。這里利用的就是減小動(dòng)載荷的原理。其他人選擇直接接住雞蛋，h很大，導(dǎo)致動(dòng)荷因數(shù)大，雞蛋自然經(jīng)受不住那么大的動(dòng)載荷。而那位觀眾讓雞蛋從剛下落時(shí)就開始作用動(dòng)載荷，但每次h都幾乎為0，動(dòng)荷因數(shù)幾乎都為2。雞蛋勢能轉(zhuǎn)換為許許多多次動(dòng)載荷做的功

7、，于是雞蛋就不會(huì)因?yàn)樗查g巨大的沖擊力而破碎。v然而這些只是防止動(dòng)載荷方面的一些例子，生活中還有很多地方恰恰利用了動(dòng)載荷的特點(diǎn)，從而幫助人們更加省力，我們最熟悉的就是用錘子敲釘子了。想要把釘子深深插入墻壁中，如果用手去按釘子，那就算花很大的力也不一定能實(shí)現(xiàn)要求，而且手會(huì)很疼。我們通常是借用錘子來實(shí)現(xiàn)，用力揮動(dòng)錘子，砸在釘子上，將產(chǎn)生很大的水平?jīng)_擊力，可以將釘子敲入墻壁。水平?jīng)_擊的動(dòng)荷因數(shù)為：可見，揮動(dòng)錘子的速度越大，給釘子的動(dòng)載荷就越大，就越容易將釘子敲入墻壁中。同樣的道理還有打樁機(jī)，打樁機(jī)利用的是垂直沖擊，實(shí)現(xiàn)將木樁深深打入地基里。三：穩(wěn)定性穩(wěn)定性的應(yīng)用可以說是無處不在。好多同學(xué)都有一把小鐵尺

8、，平時(shí)課間時(shí)會(huì)拿出來玩。當(dāng)我們給鐵尺兩端加壓時(shí)，按道理F鋼鐵是非常堅(jiān)硬的，不應(yīng)該被我們壓壞。然而事實(shí)卻是，稍微加大一點(diǎn)力，鐵尺就會(huì)被我們壓彎甚至掰斷。究其原因，我們可以把這個(gè)過程簡化為兩段鉸支受壓的模型。這時(shí)鐵尺失穩(wěn)的臨界壓力公式為：鐵尺的l和E是固定的，所以臨界壓力取決于I。但是鐵尺是厚度很小的板狀物，從那個(gè)最小截面看過去，I是很小的。因此鐵尺沿那個(gè)方向失穩(wěn)的臨界壓力很小，我們也就可以輕松地掰彎它。江湖上有一種名叫“鋼槍刺喉”的騙人把戲，那些自稱刀槍不入的人，表演時(shí)由助手將一根長槍刺向他們的喉嚨并擠壓，最終長槍斷了，他的喉嚨卻安然無恙。沒有什么文化的老百姓看了會(huì)覺得很神奇并花錢拜他們?yōu)榇髱煟?/p>

9、希望傳授點(diǎn)秘訣。然而這些所謂的氣功大師并沒有什么特別之處，鋼槍刺喉也只是一個(gè)很普通的把戲。下面來分析一下這里面的原理。首先那種鋼槍必須得自己準(zhǔn)備，槍頭必須是鈍的，或者說到不足以刺穿人的皮膚的程度即可。而且表演時(shí)并不是頂在喉嚨部位，而是頂在喉嚨下方的胸骨上，這樣就避開了喉部這樣的脆弱的部分。不過最重要的部分就是長槍的柄了，他們準(zhǔn)備這個(gè)柄的時(shí)候肯定是找那些彈性模量特別小的材料，并且做出來的柄也是又細(xì)又長。整個(gè)過程也可以簡化為兩段鉸支的模型，而根據(jù)上面的公式，他們?cè)跍?zhǔn)備時(shí)增大了l，且減小了E和I，大大減小了失穩(wěn)的臨界壓力，這樣一來，江湖騙子們輕輕松松地就可以把長槍壓斷。其實(shí)只要是槍柄選擇合理，我們每

10、一個(gè)人都可以做到。以上只是一些普通的失穩(wěn)現(xiàn)象，而現(xiàn)實(shí)生活中，為了保持結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，我們都需要采取一些措施來防止失穩(wěn)。比如對(duì)于一些小樹苗，它們的樹干還不成熟，不夠粗壯，也許被大雪一壓或者大風(fēng)一吹，樹干就會(huì)因失穩(wěn)而折斷。因此在樹木成長的初期，我們通常會(huì)在樹木周圍架起支撐架來保護(hù)樹木，這個(gè)現(xiàn)象在城市里特別普遍，到處都能看到。由于是一端固定，一端自由，其臨界壓力為：這里支撐架的存在就使得l減小了很多，從而大大提高了它的臨界壓力，樹木便不那么容易倒。還比如工程上面常見的腳手架和塔吊。隨著樓房的增高，這些工具也必須隨著樓房一起升高，而升得越高，l越大，失穩(wěn)的臨界壓力就越小，危險(xiǎn)性也不斷增大。因此，在工程上通

11、常都是每隔幾層樓就將塔吊或腳手架和建筑物本身連在一起，將l控制在安全范圍之內(nèi)。四：心得體會(huì)上學(xué)期的理論力學(xué)讓我明白的多個(gè)物體相互作用時(shí)各個(gè)點(diǎn)力的大小。而經(jīng)過一學(xué)期材料力學(xué)的學(xué)習(xí)，我對(duì)研究對(duì)象的內(nèi)力有了更深的理解。首先是一個(gè)單獨(dú)對(duì)象的內(nèi)力。根據(jù)所受力和力矩方向的不同可以分為拉力，壓力，剪力，扭矩，彎矩。再由截面法可以畫出桿件的內(nèi)力圖，為后面的研究提供了極大地便利。可是為了進(jìn)一步研究這些內(nèi)力給對(duì)象帶來了什么樣的影響，又引出了應(yīng)力，應(yīng)變，變形，位移等概念，利用這些關(guān)系就可以列出受力對(duì)象之間的變形關(guān)系，從而可以解決理論力學(xué)無法解決的超靜定問題。再后來又學(xué)習(xí)了對(duì)應(yīng)力應(yīng)變的一些分析方法以及穩(wěn)定性和動(dòng)載荷的分析研究。有了這些知識(shí)做基礎(chǔ)，我對(duì)生活中或者工程上的一些問題現(xiàn)象就有了更深的理解，也能通過合理運(yùn)用這些知識(shí)來解釋那些現(xiàn)象。從這門課我真的有學(xué)到一些有用的知識(shí)，相信在以后工作中定能受益。在看完材料力學(xué)