生活中的材料力学.doc

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1、生活中的材料力学罗晖淼051310712摘要：在我们身边的每一个角落都运用到了材料力学的原理。学完材料力学之后，用另一个角度去剖析生活中的材料力学现象，别有一番风味。关键字：应力集中，动载荷，稳定性一：应力集中大家可能都有过类似的体验，那就是有些零食的外包装非常平整美观，可是却不实用，它们经常因为撕不开而遭到我们的嫌弃。相反，有些小零食的包装袋上会有一排锯齿的形状，而当我们沿着锯齿的凹槽撕的时候，无论这个包装所用的材料多么特殊，都能轻松地撕开一个大口子。这是为什么呢？这其实运用到了圣维南原理。当我们沿着锯齿的凹槽撕的时候，手指所加的力是垂直于包装袋的，因此切应力都集中在了凹槽处，即产生应力集中

2、现象。此时凹槽处的切应力会急剧增大，那么只要手指稍稍用力，就很容易从这个凹槽将包装袋撕开。MM这种应用应力集中的现象生活中还有很多。比如掰黄瓜，有时候我们想把黄瓜掰成两段时，往往会先用指甲在黄瓜中间掐一个小缝，然后双手用力一掰，黄瓜就很容易被掰成两段。同样的，因为在小缝处应力集中，黄瓜上作用的两个力矩使得缝隙处的切应力急剧增大，于是黄瓜中间截面发生脆断。再比如撕布条，如果一块完整的布条要将其撕成两半是很困难的，除非有很大的力把它拉断，而我们一般人是没有那么大的力气的，怎么办呢？通常我们会用剪刀在布条上剪出一个小缺口，然后沿着缺口撕开布条，其原理和食品包装袋是一样的。既然应力集中给我们的生活带来

3、了这么多的便利，那是不是应力集中越多越好呢？其实并不是，在工程上，基本都需要避免应力集中。像那些大桥，飞机，机床，建筑等大型工业结构，为了保证其坚固耐用寿命长，容易发生应力集中的地方如铆钉连接都需要特别地注意。所以工字钢并不是标准的工字型，在直角处都改造成了弧线形过度，就是为了防止工字钢因应力集中而断裂。工程上的这些问题可比生活中的小问题严重得多，一个小问题都有可能导致重大的事故。曾经有一起飞行事故：飞机起落架里的一个小零件由于应力集中而发生断裂，卡在那里，导致起落架无法放下。不过还好，凭借飞行员高超的技术最终还是平安降落了。二：动载荷体重计生活中其实有一个有趣的小现象：在称体重时，如果很缓慢

4、地站上去，体重计的示数也将慢慢增加，直至我们的真实体重，而如果我们一下子跳上去，体重计会在一瞬间飙到一百多公斤，然后再降回到我们的真实体重。这又是为什么呢？这里其实运用到了冲击载荷的知识。自由落体冲击是的动荷因数为：假设我们突然站上体重计时h=0，那么动荷因数就为2，也就是说站上去的那一瞬间给体重计加的动载荷是我们正常体重的2倍，所以我们能看到体重计示数一下升到一百多公斤。不过，这样的动载荷其实并不好，如果经常这样称体重，容易损坏体重计。同样的还有一个例子就是在乘电梯时也应该注意不要上下乱跳。有时和小孩一起乘坐电梯的时候会看到调皮的小孩在电梯里乱跳，这时我们会明显感觉到电梯剧烈地抖动，甚至还会

5、害怕拉电梯的绳索崩断。可是小孩并不是太重，为什么能让电梯有如此大的反应呢？我们通过上述的动荷因数来分析一下：假设是一个小学生，他的体重是30公斤，这时他已经跳起在半空中，一个小学生大概跳0.2米。因为他在半空中，所以这时他对电梯的作用载荷为0，落回电梯上时，动荷因数为2.007，也就是2。那么他将给电梯带来600牛的动载荷，而起跳前向下蹬时也会给电梯带来这么多的动载荷。电梯在相差600牛的两个载荷之间来回转换，对拉电梯的绳索也是一次次的冲击力，假如这个电梯质量并不是非常好，绳索很容易就断了，那么就会造成惨重的人员伤亡和经济损失。因此我们乘坐电梯时应该安安静静地乘坐，不能在电梯里打闹，上蹿下跳，

6、为了自己，也为了他人的安全。曾经看过一个电视节目，上面有一个游戏，让参与者把一枚鸡蛋抛过头顶，然后用一个陶瓷盘子接住鸡蛋，但不能让鸡蛋破碎。当时很多人都是把鸡蛋往上一扔，傻傻地站在那等，结果无一例外，鸡蛋全都碎了。最后有一个聪明的观众站出来，他把鸡蛋往上一扔，手里的盘子也随鸡蛋移动，当鸡蛋下落时，手拿着盘子也按着鸡蛋的轨迹慢慢下落，逐渐停稳鸡蛋，成功了。这里利用的就是减小动载荷的原理。其他人选择直接接住鸡蛋，h很大，导致动荷因数大，鸡蛋自然经受不住那么大的动载荷。而那位观众让鸡蛋从刚下落时就开始作用动载荷，但每次h都几乎为0，动荷因数几乎都为2。鸡蛋势能转换为许许多多次动载荷做的功，于是鸡蛋就

7、不会因为瞬间巨大的冲击力而破碎。v然而这些只是防止动载荷方面的一些例子，生活中还有很多地方恰恰利用了动载荷的特点，从而帮助人们更加省力，我们最熟悉的就是用锤子敲钉子了。想要把钉子深深插入墙壁中，如果用手去按钉子，那就算花很大的力也不一定能实现要求，而且手会很疼。我们通常是借用锤子来实现，用力挥动锤子，砸在钉子上，将产生很大的水平冲击力，可以将钉子敲入墙壁。水平冲击的动荷因数为：可见，挥动锤子的速度