尤明庆的博客分享 http://blog.sciencenet.cn/u/youmingqing 何苦来哉?心不忍耳!

博文

谁移动了台阶上的条石 精选

已有 10764 次阅读 2014-2-5 09:56 |个人分类:力学科普|系统分类:科普集锦| 热胀冷缩, 扰动, 单向运动

台阶上的条石“离缝”了。谁移动了条石?答案是:温度变化引起的热胀冷缩。地基只是略向外倾斜,条石并不能因重力直接向下滑移;不过重力使得条石在温度升高时前端向下伸长,温度降低时后端向下收缩,即条石因热胀冷缩而逐步向下蠕动

花岗岩的热膨胀系数为0.3*10^(-5),即温度变化1001 m长的岩石伸长0.3 mm。台阶宽 385 mm,日温差在10℃左右,一年的累积伸长量为4.2 mm。当然,这只是一个估计数值。又,地基受到条石的摩擦作用,在水平方向会产生压缩和拉伸变形,使条石移动量减小。该台阶建于2003年,实际缝宽31 mm。日积月累,亦有可观

岗岩热膨胀系数0.3*10-5/来自中文维基百科,若依下列文献则为(0.6~1.2*10-5/

Heuze F E. High-temperature mechanical, physical and thermal properties of granitic rocks— A review.  International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences & Geomechanics Abstracts, 1983, 20(1): 3-10.

戈壁的形成也与温度变化引起的热胀冷缩有关。戈壁学名为砾漠,多发育在山前地区,地貌上是由洪积-坡积物组成的倾斜平原,表面覆盖着砾石和粗沙。温度升高,砾石、沙和土的体积膨胀,整体向上位移;温度降低时体积减小所形成的自由空间尺度较小,将被微小的沙土充填,而尺度较大的砾石和粗沙将难以恢复到原来的位置;历经数以万年的地质时间,砾石和粗沙能够全部到达地表。

周期性的扰动促成了颗粒按尺度的彻底分选,可进行模拟试验加以确认。

黄豆和大米均匀地混合放在圆桶里,对圆桶振动会使部分黄豆和大米位置发生变动,出现一些不同尺度的自由空间。在重力作用下,黄豆和大米都有向下运动的趋势,但由于大米尺度较小,能够得到向下的几率较高。最终体积较大的黄豆将全部上升到大米的上部。

周期性扰动引起单向运动具有普遍性。如,橹置于船尾,以周期性左右摆动推动船体向前,其效率高于在船侧向后推水的木桨。橹的发明和使用显示了古代中国人民的智慧,或许得益于对鱼摆尾向前的观察和模仿。人体前后摆动或左右扭转也可以驱动活力板向前运动。

更多事例: 尤明庆.周期性扰动引起的物体单向运动. 力学与实践,2010,32(4):117-118

http://lxsj.cstam.org.cn/CN/abstract/abstract138331.shtml

至于社会经济领域的事例,还得请大家赐教呢。  

补记:博文被编辑老师精选,因而得到许多博友的关注。对所有评论都尽可能作了回复。不过,24日晚焦作开始下雪,台阶已经完全为积雪覆盖,我缺乏做进一步说明的条件。

雪在昨夜停了。今天(7日)10点太阳出来融雪;12点我又去那个台阶,拍照测量。又,上次没有带尺,只是用乘车卡做尺度,且风大天冷,家人催促,观察不够仔细。因而再写一篇博文加以说明。下面所做解释都是针对上方的图片,即先出图,后对图作注解。

这是原博文的图片。条石宽度为 370 mm,厚度 110 mm,长1.1 m。乘车卡处条石移动量为 31 mm,但另一端的移动量达到45 mm

图中移动条石与下方条石的位置关系是:里侧约高1~2 mm,外侧几乎等高。移动条石向外倾斜。下方条石条石外侧偏低是视觉效应。参见下图。

从另一方向拍摄的照片。照片上位置不能直接用于判断条石之间的几何关系。

向内倾斜的条石有干燥的边缘,不会向外移动。注意:其外侧偏低是视觉效应。

下面的两个条石里侧有积水,显然是向内倾斜。它们完全没有向外移动。

这是移动条石另一端的照片,移动量 45 mm。其相邻条石也产生了13 mm移动。

对相关机理作如下定性说明:

(1)温度变化10度,热应变3*10^(-5),花岗岩杨氏模量 60 GPa,若不能自由膨胀,应力 1.8MPa,即在竖直断面上有每平方厘米 18 kg 的作用力. 这个力很大, 因而摩擦力不可能限制条石的滑移。

(2) 温度升高,当热力加微小的下滑力达到摩擦力时,条石向下滑移;但此时热力减去微小的下滑力后则小于摩擦力,因而不可能向上膨胀。

(3) 条石总是要随温度升高逐步膨胀, 尽管地基倾斜甚微, 但是条石滑移方向因重力而得到选择. 每天约0.01 mm;累计10年也就可观。

这里对条石移动所做解释未必准确;不过,热胀冷缩引起的岩石移动是常见的地质现象。

除上图两个条石外,广场东侧台阶还有98个完整条石,其中少数也产生移动,但缝隙宽度均小于 10 mm,且被泥土完全充填。这些条石的移动可能与冰胀相关:水结冰后体积膨胀约10%,岩石缝隙会在水冰转化过程中逐步扩展。当然,没有泥土充填,则缝隙不易存水。

人走动的力量较小,很多人行走时也不能同步用力,且双向作用可以抵消,似乎不易克服地基的摩擦力而移动石条。



https://blog.sciencenet.cn/blog-275648-764612.html

上一篇:铅球最佳出手角的初等解法及讨论
下一篇:对领导是什么态度-百字文(1)
收藏 IP: 1.195.108.*| 热度|

30 李健 唐凌峰 王善勇 汪志昊 喻海良 武夷山 孙学军 陈楷翰 刘全慧 罗帆 郑小康 李伟钢 彭渤 陈安 王小平 庄世宇 张乾兵 许培扬 宁利中 覃开蓉 强涛 史晓雷 吕洪波 hmaoi linxiaoguang dchlin dulizhi95 lmjtsg chenhuansheng Halloo

该博文允许注册用户评论 请点击登录 评论 (81 个评论)

数据加载中...
扫一扫,分享此博文

Archiver|手机版|科学网 ( 京ICP备07017567号-12 )

GMT+8, 2024-12-22 17:04

Powered by ScienceNet.cn

Copyright © 2007- 中国科学报社

返回顶部