為什麼對木棍、鐵棒等,折斷比拉斷更容易?
謝謝大家,為了降低情況的複雜度,不妨把討論的材料限制為脆性材料,也就是不考慮疲勞因素。
(提出這個問題是出於在分析一些實際問題時,有些受力情況感覺不太明白,想一步步提出一些情況來解決我的疑惑。)
a 圖是受拉的情況,b 圖取左半部分桿件,
a 圖是受拉的情況,b 圖取左半部分桿件,截面處的拉應力在整個截面上均勻分布。X 方向的力平衡,所以拉應力乘以桿件的面積就等於拉力的大小,也就是 b 圖中的右側紅色矩形的面積等於左側拉力 N 的大小。當拉應力 σ 達到極限 f 的時候,桿件被拉斷。
c 圖則是受彎的情況,d 圖取左半部分桿件,根據平截面假定,截面處的拉壓應力沿截面高度呈線性分布。最外側的應力最大,最中間的應力為零。X 方向的力平衡,所以藍色三角形的面積等於紅色三角形的面積。整體力矩平衡,所以藍色三角形的面積對截面中點o取距加上紅色三角形的面積對截面中點o取距就等於彎矩 M 的大小(三角形面積對o點取距:三角形面積乘以三角形重心到o點的垂直距離)。
很明顯,受拉的時候是整個截面均勻受力,而受彎的情況則存在一個「水桶效應」,截面最邊緣處受力最大。也就是說,最終破壞的時候,受拉截面每一點都達到了極限,而受彎截面只有最外側達到了極限。
或者,我們可以把截面近似纖維化,比如把上面的截面均勻分成10束纖維,每一束最大能承受的力 F 相同。b 圖是纖維受拉的情況,每一束都承受同樣的拉力,最極限的狀態就是每一束都承受最大的拉力 F,整個截面最大能承受10F的最大拉力。
d 圖則是纖維受彎的情況,最外邊的纖維受力最大,最裡面的幾乎不受力。最極限的狀態是:從上往下,第1束受壓 F,第二束受壓 0.8F,第3束受壓0.6F,第4束受壓 0.4F,第5束受壓 0.2F,第6束受拉 0.2F,第7束受拉 0.4F,第8束受拉0.6F,第9束受拉0.8F,第10束受拉 F。中間的纖維其實還沒有達到極限,最上面和最下面的那束纖維是整個截面的「短板」。
形象化的比喻,我們可以把 b 圖受拉的情況看作是10匹馬在拉著一輛馬車並駕齊驅,大家跑動的距離一樣多;而 d 圖受彎的情況則是10匹馬在拉一個旋轉的磨盤,顯然,最外面的馬出力最多,最裡面的馬出力最少。
所以,很多時候我們看到結構的受彎桿件並不是矩形的,而是「工」字形的,材料集中在上下邊緣。就像上圖中這兩個截面,面積相同,但形狀不同。也就是說,同樣10匹馬,但是不再均勻分布了,而是4匹配置到最上邊,4匹配置到最下面,中間2匹打醬油。很明顯,這樣可以取得更好的結構效能,不至於像矩形截面那樣最外邊的馬都快累死了,裡面的哥幾個還跟沒事兒人一樣。
所以,很多時候我們看到結構的受彎桿件並不是矩形的,而是「工」字形的,材料集中在上下邊緣。就像上圖中這兩個截面,面積相同,但形狀不同。也就是說,同樣10匹馬,但是不再均勻分布了,而是4匹配置到最上邊,4匹配置到最下面,中間2匹打醬油。很明顯,這樣可以取得更好的結構效能,不至於像矩形截面那樣最外邊的馬都快累死了,裡面的哥幾個還跟沒事兒人一樣。這張實際的鋼框架照片就是個很典型的例子。作為受壓/受拉構件的柱子,截面就是矩形的;而作為受彎構件的梁,截面就是工字形的。
這張實際的鋼框架照片就是個很典型的例子。作為受壓/受拉構件的柱子,截面就是矩形的;而作為受彎構件的梁,截面就是工字形的。
舉一個實際的算例吧,一根鋼棍,截面為1cm x 1cm 的正方形,長度為8cm,強度極限為215N/mm^2如 a 圖所示,其受拉破壞時,所承受的拉力為
如 a 圖所示,其受拉破壞時,所承受的拉力為
如 b 圖所示,兩端支撐,中間承受集中力,其受彎破壞時,所承受的彎矩為
其跨中的集中力為
看,這個對比是驚人的,同樣的這根鋼棍,需要21.5千牛的力才能把它拉斷,但如果是把它橫放在兩端的支撐點上,中間施加集中力把它折斷,則這個集中力只需要1.79千牛。
再進一步,如果是9根這樣的鋼棍可靠的粘結在一起組成一根邊長為3cm的粗鋼棍呢?如 a 圖所示,其受拉破壞時,所承受的拉力為
如 a 圖所示,其受拉破壞時,所承受的拉力為
如 b 圖所示,兩端支撐,中間承受集中力,其受彎破壞時,所承受的彎矩為
其跨中的集中力為
此時,這根粗鋼棍需要193.5千牛的力才能把它拉斷,48.375千牛的力才能將其折斷。與上面單根的情況做一個對比,拉斷所需的193.5千牛是21.5千牛的9倍,而折斷所需的48.375千牛是1.79千牛的27倍。
也就是說,9根同樣的棍子捆成一捆,拉斷它所需的力是拉斷單根的9倍,而折斷它所需的力是折斷單根的27倍。
還記得那個著名的「折箭教子」的故事嗎?兄弟五人,每人一支箭,很容易就能折斷,把五隻箭捆成一捆,就沒有人能折斷了。為什麼呢?相信你看完了上面的算例,很容易就能知道答案了。
謝瑤,自己目前沒有辦法從力學角度做深入分析,就從簡說說自己的想法吧。不對請指正。
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我們來建立一個簡單的模型:
把木棍想像成一個扁而長的直尺型的物體,
- 當它受拉時,是在這個直尺的橫截面上的面積承受這個拉力,所以不容易拉斷。
- 當它受到一個彎矩時,相當於直尺的下半部分受壓,而最上面的一點受拉,此時應力集中於最上面一點,很容易達到材料的破壞強度,在上面一點被破壞後,相當於玻璃上的裂縫,應力集中更加明顯,就可以輕易的將它折斷了。
感覺樓上各位從材料力學的角度來分析對於鐵應該是適用的,但作一個小補充就是樓上所使用的材料力學模型並不適用於木棒(感覺李小川的模型是基本正確的,不過沒有仔細分析,不過從材料力學的分析方向就是這樣)
木材的本質是纖維結構,木纖維本身就存在著明顯的高拉伸強度和底剪切強度的特性。基於材料力學的分析前提是材料各向同性。所以其不適用於木棒的例子。
至於木棒存在這種性質,本質就是纖維的性質~拉斷:可以認為柱體每一點的應力都等於拉力。
折斷:折斷時,一般來說柱體中間會有一個支點,然後支點對面的那個點由於槓桿原理的作用,可以近似認為該點的應力是兩端的折斷力*柱體長度/(2*柱體直徑)&>&>折斷力。所以柱體會最先從該點斷開。(PS:除非是生鐵棒否則輕易沒法折斷吧。。。只能折彎。。。將一根鐵絲反覆彎折它會斷那又是用到了所謂」金屬疲勞「的原理吧。。。)
材料的力學性能不是看力,而是看應力,即單位截面積所受的力。拉伸,是整條材料截面都均勻受力;彎曲時,弧度外側的材料受拉伸,內側受壓縮。所以拉伸應力是集中在一小半截面的材料。
除了先前回答者解釋的,彎桿施力更加容易 且力的作用效果更明顯的原因,對於不是很粗且能夠彎折的棒狀物來說,還有材料疲勞的因素。
我們都有類似的生活經驗,即一根鐵絲,想徒手弄斷它的話有什麼好辦法?可能小朋友也會下意識的想到,可以反覆來回地彎曲,直到最後折斷。
反覆彎曲直至最後斷裂,除了拉伸力和剪切力以外,材料還會受到疲勞損傷。肉眼不可見的疲勞細紋首先出現在材料內部缺陷處 ( 缺陷是任何材料都存在的 ),反覆彎曲會讓疲勞裂紋持續生長 ( 裂紋的生長有一個公式,如果你真的有興趣可以去看一下 http://upload.wikimedia.org/wikipedia/fr/math/2/7/7/2773652315ba2a73cd7f8b35ecfcab54.png ) ,最終達到能夠影響這段材料強度的程度,使其在疲勞處首先斷裂。
但是疲勞裂紋的生長有一個最低限度,即如果施加的載荷在這個條件 ( 大小、時間、周期等) 以下,則疲勞裂紋不可能持續生長,也就不會影響到這段材料的強度。用前面的例子直觀地說,就是"來回彎曲鐵絲的次數或者力的大小不太夠",使得鐵絲怎麼都折不斷。1.折斷用的是槓桿原理,肯定會省力一些;
2.木棒的紋路如果不是跟木棒的方向一致的話,也是很容易拉斷的。這一點你可以測試一下面巾紙。因為面巾紙是有紋路的,可以類比吧。面巾紙有一個方向很容易拉開/撕開,而換個90度方向就很難拉開/撕開。
唉呀媽呀 老賈問的問題是越來越有感覺了 這麼深奧 我想花姐能給你想要的答案 嘿嘿
個人覺得「拉」跟「折」所施加的外力種類分別是拉力跟彎矩(這裡應該是純彎曲情況),對於木棍、鐵棒及你所做的假設來說,最終破壞(即「斷」這個瞬間狀態)時你所需要施加力的大小完全取決於木棍跟鐵棒的正應力強度,即構件中某一點處的應力達到構件材料的強度值時便會破壞。在拉的過程中,理想模型下整個正截面的應力是平均分配的,即應力等於拉力除以構件橫截面積;在折的過程中,同樣的力產生的是彎矩的效果,構件正截面上的應力並不是均勻分布,而是有一個中性軸,其一邊產生拉應力,另一邊產生壓應力,不論哪一種應力達到材料的強度極限便會破壞,相關計算方法可參見各種材料力學教材,其最大應力點上的應力是否大於同樣大小力下在拉過程中產生的平均應力,跟桿件的長度還有關係(這裡考慮到的是同樣的彎矩可以由不同的力來產生)。
以上的解釋是部分理論依據(比較久沒有做過計算,所以有錯誤請大家指正),但我覺得真正讓人感到容易折斷還是因為在折的過程中,因為構件會變形(跟你的脆性假設有衝突,但不變形並不影響純彎曲的模型),變形的基礎上,我們施加力的方向也在變,同樣的彎矩我們可以用越來越小的力來產生,這樣,我們就覺得破壞時我們用的力明顯比拉來的小很多。
PS:在折的過程中,對於鐵棍,規範上常用到的幾種鋼筋(暫時不清楚這樣引用鋼筋的材料指標代替鐵的合不合適,但比較懶的去翻資料,望大家指正)抗拉、抗壓強度是相同的,所以如果默認棍的橫截面是圓形,那麼它應該是受拉最大點與受壓最大點同時破壞;而木棍抗壓強度小於抗拉強度,所以應該是壓壞。
因為細長桿件的拉應力,通常會大於彎曲應力。
槓桿原理,厚度d,長l的棍,折中間受的力為l/d。
當然這是一個簡單模型,不保證精確性拉斷:材料接近均勻手拉,拉應力接近均勻分布,比較小。
折斷:材料在折彎處受較大彎矩,在彎曲截面外側形成較大拉應力,更容易斷。
我覺得這個問題可以簡化為「為什麼質地均勻的,長度遠大於直徑的,脆性強於韌性的棒狀物體容易被折斷而非拉斷」。
解釋:常見木棍鐵棍等都是材料均勻的,所以說這個條件是不可忽視的。否則,我給你搞一個中央高韌性,兩頭高強度,且韌性大小和點到中央位置距離成整相關,那麼這個棒料可以做到更易被拉斷而非被折斷。另外,如果是直徑10,長度20,那麼顯然這個形狀的棒料(估計是邊角料吧)要折斷就很難了,估計更容易拉斷。最後一個脆性問題樓主說了,不再啰嗦。
深層原因:斷裂屬於塑性變形,也就是物體受力時內部分子間作用力的合力F小於外力f導致的,所以說F越接近f,物體就越容易沿f方向斷裂。同理如果F越大,f就要隨著增大,才能保證斷裂。現在來分析問題,由題目知,該棒料沿直徑方向的內力的合力Fn遠遠小於沿軸方向的Ft,所以折斷比拉斷容易多了。
其中內力的合力F取決於收集集中區域分子數量和分子間作用力(微觀力)。質地均勻的材料拼的是數量(長度遠遠大於直徑),如果數量相同,那就是拼受力。脆性和韌性的不同就是分子間作用力的大小不同,所以說,如果韌性如上文所述漸變,則Fn可能等於甚至大於Ft,也就是折斷不一定比拉斷更容易。
至於說這種東西有沒有,我不敢說,但如果用比較高端的熱處理對同一根棒料進行處理,或者通過先進的焊接技術,將不同材料的棒料焊接在一起,估計可以做到。
啥都不用說,就一個字:槓桿
從材料力學上說是這兩種材料的剪切強度低,拉伸強度高。
原因嘛,木棒的話跟木頭的纖維走向有關,受力方向為纖維走向上的強度最高,這點可以參考竹子。鐵棒的話具體的力學特徵為啥是這樣估計得找專門材料學的同學回答了,但是一般來說金屬都是耐拉伸不耐剪切的。是由分子結構決定的
設定下,圓桿 (好計算)。
首先對於受拉,這根桿受到的最大應力是F/A。
而材料受彎(折)時,假設一個與桿受拉時相同大小的力垂直作用於桿的中部,這時桿受到的最大拉應力是M/W=FL/2W。
比較下A和2W/L的大小。A=d^2π/4, 2W/L =d^3π/32L。
然後結果出來了,d&<8L時該桿抗拉不抗折,d&>8L時抗折不抗拉。一般你會拿d&>8L的圓桿來試嗎?然後就有了你的結論。
抵抗拉力遠遠超過抗剪力,,,,關注材料力學中拉升和懸壁梁相關內容。。。
因為木頭是纖維構成的,各項強度異性,垂直於纖維方向強度最低所以抗剪差,鐵棍這種各項同性,不存在這個問題
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