月光小筑分享 http://blog.sciencenet.cn/u/刘建林 独上高楼思渺然,月光如水水如天

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生活中的屈曲现象

已有 8852 次阅读 2010-1-7 15:54 |个人分类:未分类|系统分类:科普集锦

力学在日常生活中无处不在。材料力学研究的三个方面是:强度、刚度和稳定性。对于弹性体的稳定性,材料力学书上早就有了严格的定义。简而言之,举例说一根细长杆受到轴向压力,当压力超过某一个临界值(变得非常大)时,细长杆在受到外界扰动时,会突然变成弯曲,这个过程就叫做“失稳”,或者“屈曲”。

屈曲的英文名字是buckling,包含了“弯”的意思,大意就是原来是“直”的,现在变“弯”了,而这个过程是一个突变,这就是屈曲。

我们的周围有大量屈曲的例子。19世纪的瑞士,有一座大桥,由于其某一根杆设计得过于细长而造成了屈曲,导致了整座桥的塌陷,当场就死了200多人。上一世纪,在北京某施工现场,出现过脚手架设计过于细长而导致了整个结构的破坏,伤亡了很多人。对于细长杆的临界载荷求解,Euler1是从其弹性线进行研究,推导出了杆大变形的控制方程而求解出来的,所以细长杆失稳又叫做Euler杆失稳。

除了杆件失稳,工程中还有大量的其他结构也会失稳。例如一个拱桥,承受压力,当压力达到某一个值时,拱桥会突变成波浪的形状,此时人走在上面就很危险。

一根左端固定的薄壁的梁,受到一个集中载荷的时候,也会发生扭转的现象,也成为失稳。

一块薄板迎着水流的方向放置,如果来流速度较小,板为水平;如果来流速度过大,板会振动起来,这也是一种屈曲,类似于飞机的颤振。

1940年,冯卡门和钱学森研究了柱壳在轴向载荷下的屈曲现象。举个简单的例子来说,一个罐头盒,踩上一脚,会变得皱皱巴巴。这就是屈曲。屈曲的模态代表了能量最低的一种状态。卡门和钱的工作是为了研究火箭的筒体而出发的,用的是能量法,大变形、非线性的手段,是稳定性方面的经典文献。

钱伟长研究了扁球壳在外界载荷下的跃迁问题,也是弹性体屈曲的重要文献。

Harvard大学Hutchinson、锁志刚等人研究了微电子封装、多层薄膜的脱层问题,认为脱层delamination也是一种屈曲。布朗大学的Ben Freund写成了关于薄膜力学方面的专著,由卢磊等人翻译成中文。

当一个微探头无限靠近某一薄膜的时候,薄膜会发生褶皱现象,这也是一种屈曲。加拿大的茹重庆等人做了大量的工作。

当一个液滴放置于一层薄膜时,薄膜会起皱,这也是一种毛细屈曲。

当你早晨起来喝豆浆时,发现豆浆表面的膜一吹,也会起皱,这也是屈曲。

美女的皮肤经历时间的沧桑洗礼,最终也会产生皱纹。皱纹也是一种屈曲。

屈曲已经融入了我们的生活。我们在生活中要发现美,也要发现屈曲。

 



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