強(qiáng)度理論-壓力極限

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1、受均勻外壓時(shí)是否存在使材料破壞的極限壓力？1．主題詞材料強(qiáng)度，強(qiáng)度理論，壓力，破壞，2．問(wèn)題背景水是有壓力的，水深每增加10米，水的壓力就增加一個(gè)大氣壓，那么在幾千米的大海深處物體所受到的壓力之大是在地球表面難以模擬和想象的。為什么在深海海底的軟泥中還能完好無(wú)損地保存著史前微生物的遺體，一些海底生物也沒(méi)有因?yàn)楹Ｋ膲毫Χ?？?lèi)似地，土層對(duì)于埋藏在土中的物體也有壓力作用，而且比水的壓力更大，每4米土深就相當(dāng)于10米水深?？铸堊鳛?000萬(wàn)年前的生物早已成為化石沉入地底，并隨著底層下降，同樣承受著巨大的土壓力，為什么如今的考古學(xué)家居然可以發(fā)掘出

2、完整的恐龍骨架？它為什么沒(méi)有被土壓碎？這兩個(gè)疑問(wèn)可以歸納為同一個(gè)力學(xué)問(wèn)題：即受均勻外壓時(shí)，是否存在著一個(gè)使材料發(fā)生強(qiáng)度破壞的極限壓力？如果答案是肯定的，那末就需要有試驗(yàn)驗(yàn)證對(duì)于確定的物體材料測(cè)出確定的極限壓力。如果答案是否定的，那么需要給出一個(gè)令人信服的理論解釋。南京地質(zhì)學(xué)校的教師李泰來(lái)在十幾年的時(shí)間里做了無(wú)數(shù)個(gè)試驗(yàn)，包括在4600米深海的水壓試驗(yàn)。在這樣的深度，被抽成真空的熱水瓶膽由于比重比海水小，被輕易地壓得粉碎；但是，一塊普通的豆腐乳由于比重比海水大，居然絲毫無(wú)損（在地面上，僅用一個(gè)裝滿水的礦泉水瓶就可以把這種豆腐乳壓碎壓扁）。大量的試

3、驗(yàn)過(guò)后，李泰來(lái)得出了如下結(jié)論：“水其實(shí)只對(duì)比重比它小的物體有壓力；對(duì)于比重和它一樣的物體是沒(méi)有壓力的。而對(duì)于比重大的物體，水不僅產(chǎn)生不了壓力，而且反過(guò)來(lái)被對(duì)方‘壓’”?；谛碌谋戎乩碚摵痛罅烤_的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，最終得出了更驚人的結(jié)論：物體自由落體理論、單擺振動(dòng)理論、萬(wàn)有引力定律和流體靜壓定律、浮力定律等五大經(jīng)典定律全部在精密的實(shí)驗(yàn)面前被推翻！本案例只討論在外壓下材料的強(qiáng)度問(wèn)題。3．問(wèn)題與思考題（1）你相信這個(gè)關(guān)于水壓力與比重相關(guān)的結(jié)論嗎？（2）物體的強(qiáng)度和材料的強(qiáng)度有何區(qū)別？是否存在著一個(gè)使材料發(fā)生強(qiáng)度破壞的極限壓力？（3）試設(shè)計(jì)一個(gè)試驗(yàn)方案可以

4、驗(yàn)證問(wèn)題（3）的答案4．問(wèn)題分析與參考答案（1）這個(gè)關(guān)于水壓力與比重相關(guān)的結(jié)論確實(shí)是前所未聞的。為了使問(wèn)題明確起見(jiàn)，讓我們首先討論上文提到的兩個(gè)試驗(yàn)。對(duì)于試驗(yàn)的結(jié)果，可能并不值得懷疑，但如何解釋這一結(jié)果卻是大不一樣。抽真空的熱水瓶膽在深海下被壓碎屬于外壓失穩(wěn)破壞，失穩(wěn)是結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的一種特定的失效形式，這與實(shí)心物體的強(qiáng)度破壞完全是兩回事，兩者間不具備什么可比性，因此以此事實(shí)歸納出的結(jié)論是難以令人信服的。比重是物質(zhì)的一種物理屬性，定義為物質(zhì)的重量與4°C同體積的純水的重量之比。我們可以說(shuō)鐵的比重，玻璃的比重等，空心的熱水瓶膽有體積和重量，但沒(méi)有比

5、重，因?yàn)樗捏w積不是由同一種物質(zhì)材料所占據(jù)，因而不能代表一種物質(zhì)而是一個(gè)充氣結(jié)構(gòu)。受外壓的容器體積是一定的，但可以通過(guò)改變充裝量來(lái)增加其重量，它的破壞與其重量有沒(méi)有關(guān)系？讓我們以潛水艇為例來(lái)討論。潛水艇可以安全地漂浮在水面或下潛到一定的深度，但是一旦超過(guò)了極限深度，就會(huì)面臨失穩(wěn)破壞的危險(xiǎn)。1963年4月10日，美國(guó)核潛艇“長(zhǎng)尾鯊”號(hào)在航行中發(fā)生海損事故，潛艇失去操縱，自由下潛到2550米的大洋深處，大大超過(guò)了其400米的極限深度，原本堅(jiān)固的艇殼被強(qiáng)大的海水壓力硬給壓成了鐵餅，艇上人員無(wú)一生還。如果用“比重”理論如何解釋這一現(xiàn)象？難道可以說(shuō)沉入

6、海底的潛艇比重變輕了嗎？證明一個(gè)理論是不容易的，但是否定一個(gè)理論，可能會(huì)容易得多——只需提出一個(gè)反例。（2）首先我們需要把討論的對(duì)象和范圍作一個(gè)限制。強(qiáng)度是一個(gè)被廣泛應(yīng)用的詞匯，在不同的領(lǐng)域具有不同的涵義?，F(xiàn)在我們要討論一個(gè)材料力學(xué)問(wèn)題，而不是一個(gè)物理問(wèn)題。按照材料力學(xué)，我們把強(qiáng)度理解為抵抗破壞的能力，破壞是指材料斷裂或出現(xiàn)不可恢復(fù)的大變形。物體的強(qiáng)度是一個(gè)模糊概念，因?yàn)樗赡馨艘磺醒芯繉?duì)象，因而可能涉及到不同性質(zhì)的問(wèn)題。結(jié)構(gòu)的“強(qiáng)度”可能涉及到穩(wěn)定承載力，如抽空熱水瓶膽在深海下被壓碎；構(gòu)件的強(qiáng)度還具有尺寸效應(yīng)，大尺寸構(gòu)件均勻性差并可能含

7、有更多的微觀缺陷因而具有強(qiáng)度偏低的趨勢(shì)，只有小尺寸標(biāo)準(zhǔn)試件的強(qiáng)度才能代表材料的強(qiáng)度。標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)測(cè)定的是材料的單向拉伸強(qiáng)度和壓縮強(qiáng)度，對(duì)于同一試件，不同的受力形式下得到的強(qiáng)度也會(huì)截然不同。任何材料都有一個(gè)拉伸強(qiáng)度和壓縮強(qiáng)度，是在單向受力的條件下測(cè)定的。在多向受力下情況復(fù)雜，必須分別研究。材料在受多向壓縮時(shí)的強(qiáng)度常會(huì)高于單向受壓強(qiáng)度，這與試件的變形受到約束有關(guān)。冬季北方常常發(fā)生自來(lái)水管被凍裂的現(xiàn)象，就是冰在多向受壓下不易破壞的例子，這時(shí)我們當(dāng)然不能簡(jiǎn)單地說(shuō)鐵管的強(qiáng)度比冰還低。處于三向等壓的應(yīng)力狀態(tài)是一個(gè)特殊的情況，處于深海之下可產(chǎn)生這樣的受力條件。

8、實(shí)心固體在深海里不易發(fā)生破壞的道理可以通過(guò)強(qiáng)度理論來(lái)解釋。三向等壓的三個(gè)主應(yīng)力是數(shù)值相同的三個(gè)壓應(yīng)力，由于不存在拉應(yīng)力，因此第一強(qiáng)度理論不適用；按照廣義胡克定律分析