多大的力氣才能把一元硬幣掰斷?
如題,在不考慮《中華人民共和國人民幣管理條例》的前提下, 一個人用雙手多大的力氣,才能把一元的人民幣硬幣從菊花綻放的那面兒掰斷?
為了科研,違法就違法了。
抱歉,來晚了,上午要給老闆搬磚,所以只能下午做了。
據說知友喜歡看圖,前方多圖預警,爪機黨先保存哈。
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一元硬幣直徑為25mm。
然後我使勁的掰,結果沒彎。事實證明,硬幣是個直男,是掰不彎的,更別想從菊花哪裡掰斷了。嘿嘿,開個玩笑啦。
人手掰硬幣,是一個比較複雜的過程,類似三點彎或四點彎,為了簡化起見,我就採用三點彎的形式來做了。(為啥不用四點彎?沒找到夾具我會告訴你?)
實驗裝置,直接上圖了。
其中,跨距(支撐輥軸中心距)20mm,輥軸直徑10mm,載入頭是底部為平底,寬約2.5mm(忘量了)。試驗機我就不放圖了,以免暴露了。
然後開始載入了。
好了,小夥伴們肯定等不及載荷曲線了。
曲線的拐點在1100N附近,這個時候,可能金屬屈服了。但是還沒有壞(這個自然了,塑性材料嘛),部分區域開始進入塑性強化階段,載荷繼續上升,只不過斜率降低了(這個也很容易想到嘛)。(這個解釋可能存在問題,因為條件比較複雜,需要計算,但大概就是這個意思吧。)
大概到了2500N的時候,我決定停下來了。為啥?感覺載入頭要跟下面的輥軸碰到了。
可見,雖然工況(邊界條件)可能有所不同,但是實驗的屈服載荷和徐老師模擬的差別不大(金屬最簡單了,當然差別不大了)。
恩,上長硬幣圖吧。
看看,菊花哪兒那麼容易壞~~~
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好像實驗挺簡單的,可是放假了,管這個設備的師弟不在,我只好自己親自動手了,而且屋子特別熱,大把大把的汗呀。求頂起好不~~~什麼,還想知道其他硬幣的?不然不給頂?好不,已經違法一次了,不如多違幾次(開玩笑啦,像我這樣的守法好公民,怎麼可能呢,我這是為科研獻身好不)。
其實我還準備了五毛和一毛的硬幣,可惜他們太小,暫時找不到合適的夾具。當然,我是不會就此罷休的,因為我又從包里翻出了一個五分的,哈哈
————————————割了————————————
五分的直徑24mm,哈哈,差不多了。(一時高興,忘了把測量圖照一張了,請相信一個苦逼的博士生科研道德哈)。
直接來測量圖。
開始放上去
載入300N時
大概600N時
大概900N時
載荷位移曲線
大概在600N~700N之間發生了類似屈服的現象,載荷最終到達頂峰值950N。
所以,想掰斷(那是不可能的,掰彎吧)一塊錢,先找個5分的試試。
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第一次在知乎作答,答的不好,請大家原諒。
暑假+周末+七夕,再實驗室搞的熱火朝天的,能不能給點鼓勵乎?
本人力學博士生,有相關問題歡迎討論哈。
感謝各位只有熱情的點贊。根據 @AKara 建議,我寫個小結和一些評論的反饋吧。
關於本問題的小結:
1、鑒於實驗結果,一元硬幣對於大多數人來說,是用手掰不斷、也掰不彎的。五分的倒是有可能掰彎。
2、塑性材料(如一元、5分硬幣的材料及很多金屬,如金銀、低碳鋼、鋁合金等)在屈服後具有很大的延展性,一般不會直接被掰斷。如果要折斷,可以反覆彎折,使之疲勞,則很快就會斷的。(相信很多人都有彎斷鋁片的經驗)
3、本實驗中,一元硬幣發生類似屈服現象的載荷在1100N(約110kg)左右,極限載荷受實驗條件限制,做到了2700N;五分硬幣發生
類似屈服現象的載荷在600N(約60kg)左右,最大載荷到950N。但並不代手使力到達上述時就能掰彎,受力方式(或者更專業一點稱為邊界條件)不同,載荷也不同。
4、惡意損壞人民幣是違法的,但是本人用於實驗,真要違法也就認了。
關於評論的小結:
1、看到這麼執拗的答案,我不禁想問多大的力氣才能把答主掰彎。 @陳瓶兒
答主是掰不彎的,現在可以征妹子了嗎?答主在北京五道口附近某高校,博三(類似碩博連讀,沒那麼老)。(已有妹子,勿念)
2、如果是在很短時間內突然作用一個很大的力,可不可能斷? @Jqx1991 (一個好問題)
這是可能的。短時間內給一個很大的力,一般我們稱為動態衝擊。越接近動態的問題,固體越趨於脆性,而越慢,則越接近流體。故塑性材料和脆性材料沒有嚴格的界限,固體和流體也沒有嚴格的界限。(為了使大家都能看懂,寫的比較簡單,同行勿怪)
3、如果瞬間加力超過其屈服力會怎麼著? @越竹塘
瞬間加力超過其屈服力,顯然他會彎。看你這個有多瞬間了(時間有多短了)。短到一定程度,也會和脆性材料一樣,直接斷掉了。(我猜的,這方面研究不多T T,有時間和我同學討論一下吧。)
4、我特別想知道 你兜里怎麼會有個五分錢。 @牛子孺
在帝都,這不是問題。部分超市會找的。我這個可能是我上次去學校財務報賬時給我的吧。
根據評論再做一次更新。
1、關於如何使得硬幣斷的問題,衝擊和低溫都是有可能的。衝擊的解釋請參考 @王豫飛 的評論:「理論上所有材料都具有流變性質,針對硬幣這樣的金屬材料,韌性表現強於脆性,這也是最後試驗沒有將其掰斷的原因,只不過流變跟時間的相關性太強,跟載入速率有著很大的關係,如果時間足夠短的話,如果載入器具橫截面足夠小,可以讓材料表現出脆性特徵,也就是直接切成兩瓣,這就要求荷載足夠大,施加菏澤時間足夠短。」
沒有條件做液氮實驗、沒有時間做衝擊試驗,請大家原諒。我要趕著把自己項目實驗做完,好跟老闆請求回家。
2、樣本太少問題 @wanston@jasonzhang ,受力的點不對的問題@Johnny Shen 。已經交代了,本次實驗僅僅模擬手掰彎硬幣,手掰硬幣,我想到的手勢是雙手十指支撐硬幣兩側,兩個拇指定在中間,這個與三點彎曲和四點彎曲十分類似,但肯定不完全一樣,而且,每個人的手指、姿勢都不一樣,如果非要考慮那麼仔細,幾乎不可能也沒有意思,所以可以允許我們有一定的簡化,這裡我選用了三點彎曲來類比,旨在提供一個宏觀上的認知:載荷到底有多大。當然實驗載荷僅僅作為一個參考,如果所有的實驗都能精確的與實際工況模擬,飛機也就不用試飛了,直接定型就可以了。既然本來就是模擬實驗,也沒有經費支持(大家都知道博士生都很窮的),重要的是真沒時間T_T,也就沒做多組了。
當然,由衷的感謝你們的指出了,可以讓我以後的實驗更加完美。
3、載入過程中力臂發生了變化?@Sidong You
大變形後確實力臂發生了變化,會影響到載荷的計量與分析,感謝提醒。
4、我想問一下,那個位移曲線為什麼隨著x軸往右到一個頂點之後y軸會往下掉?這如何理解?@Frank Huo
塑性增強使得剛度增大,力臂增大、截面變小等使得剛度變小,增大效果不足以抵消剛度變小的因素,所以降低了。
謝謝邀請
這是個有趣的問題,本來想睡午覺的,看到這個問題,看來這個午覺睡不成了。
查閱了一下資料
一元幣為鋼芯鍍鎳,直徑25.00毫米,邊厚1.85毫米,單枚質量6.05克。
1元的硬幣是鋼芯,那麼假設硬幣的強度與鋼材強度相同。
同時,猜想硬幣沒必要用高強材料,那麼假設硬幣的強度為235MPa。
另外,找了個硬幣來試著掰了一下,假設:
兩隻手的支撐點大概是在硬幣直徑方向的四分點上,而作用力的位置是在硬幣邊緣,假設是一個集中力。
有了這些假設,就可以進行建模計算了,下面這張是硬幣的Von Mises應力的分布情況
當集中力達到250N,也就是大概25公斤力的時候,硬幣會進入屈服。
寫完了又拿硬幣試了試,還可以反過來掰,那麼支撐點大概就在中線上了
這時候集中力在180N,也就是18公斤力的時候,硬幣就會屈服
如果考慮到實際施加荷載不是個集中力,這個力還會需要大一點,我猜想,在100公斤以內。
聲明:這些都是估算。具有娛樂性質的估算,不具有嚴密的科學性。
同時有一個前提,你的手能夠提供有效的支撐,別忘記了,力的作用是相互的。
看看有沒有人有興趣來做這個實驗,驗證一下
@孔小熊 提到我只考慮了屈服。這是因為硬幣的材料是未知的。而並不是所有金屬材料都有所謂的韌性。就算同樣是鋼,都不一樣。舉一個簡單的例子,普通鋼筋有良好的韌性,而預應力鋼絞線就塑性很差,達到屈服強度後,很快就會斷掉。
同時@蔣勁宇 用真的試著去掰斷了一個硬幣,不過他不能上圖了,被樓下的嚇到了。
難得遇上這種問題,能讓一個苦逼的土木男生給大家帶來點歡樂
下面我來做個數值模擬
首先按樓上給的數據,用abaqus建個模型,硬幣直徑是25mm,厚1.8mm。
材料假設為Q235鋼,這種鋼以前產量很大,因強度稍低,建築上現在用的越來越少,但造幣肯定是綽綽有餘了,它的標準屈服強度是235Mpa,彈性模量200Gpa,為簡便起見,我們先不考慮材料屈服後的強化。
兩邊的支撐加在半徑為10mm處,平行布置。
荷載嗎,既然一樓的大神做到了1100N屈服,我就從0加到1500N吧
運行結果就是這樣:
下面這個是載入力和中部測點應力的關係曲線,本人abaqus用的還不熟,屈服點附近的數據點沒有取到(汗~),只能按照彈性發展來推測一下(紅線),可以發現屈服荷載大概在1000N多一點,和一樓大神的試驗結果還是很接近的(握手)
所以,想要把它掰彎的話,至少要用兩根手指輸出1000N以上的力,也就是說,兩根手指舉起一個100kg的大胖子。。所以,有志少年們,趕快回家修鍊吧~
採用理想塑形模型測試了一下基本驗證了第一名的實驗,先說結果再說方法:
屈服點出現荷載1100N位移為0.4mm,模擬結果768*2-112=1434N位移0.5mm。排名第一答案,採用實驗方法雖然有查水表的危險但是不失為一種非常的好的測試手段。
而徐老師和排名第三的答案都採用了分別採用彈性模型和理想塑性模型進行了模擬,對於徐老師的答案,有兩個不足。第一,本構關係簡單,第二,沒有實質性的解答,掰斷一枚硬幣所需要的力量。而排名第三答案的模擬雖然模擬和精緻,但是缺乏規律的總結也沒有實質性的回答問題。
為了達到模擬的效果首先進行一下假設:
(1)硬幣為理想彈塑性材料,及硬幣達到屈服極限後期其隨塑性變形的增加,承荷能力不在變化。
(2)硬幣的寬厚比較大,同時掰彎的變形以彎曲為主,可以忽略沿厚度方向的壓縮和間卻變形。若採用實體模型會造成大量的計算資源浪費,本著勤儉節約的優良品德採用線性殼單元來模擬硬幣,給定一定厚度即可。
(3)模型一旦屈服則認為其硬幣已經破壞可以達到掰彎的目的。故採用位移控制。
平台 :abaqus 6.13-1 版 ,此平台是目前最好的有限元計算平台之一
菊花1元硬幣(2000年10月16日起發行):材質為鋼芯鍍鎳,色澤為鎳白色.圓形,直徑25mm,厚度1.85mm,分量6.1g.模
第一步畫草圖如下:直徑25mm,
第二步,定義硬幣厚度1.88mm
第三步,設計荷載
第四步,設置材料屬性
荷載材料屬性:彈性模量2.01e11Pa
由於沒有測試設備 就姑且採用GBA286iron的理想彈塑性本構模型
屈服強度:275Mpa,進入塑性後隨變形增加不再承受荷載
第五步,為了保證收斂性將非線性打開
由於採用了 理性塑性模型為了防止計算不收斂 將非線性打開
第六步,提交計算
首先觀察豎向變形
這是位移放大10倍的效果,結果很想那麼回事。
看看應力,中間的部分是米塞斯屈服應力區域,紅色部分實際上就是塑性區,有相當的區域達到了米塞斯屈服極限,下面看看塑性區的分布,中間部分的塑形區很好解釋,兩側產生的塑形區是由於採用了比較嚴格的邊界條件導致的,
位移與米塞斯關係應力,其實在0.3mm至0.4mm之間中部區域已經進入屈服狀態。
在位移0.35mm 0.4mm 0.45mm 0.5mm時,塑性區分布規律為
最後到了故事的高潮,支撐反力的變化
單位是N,提取垂直載入方向過圓點直徑支撐力變化情況,兩側支撐反力768N中間受到支撐反力112N,合力大小為1434N相當於中間載入實驗中載入力
如果你去按照正常人方法去掰斷硬幣,使其進入塑性狀態那麼你需要
左右食指提供支反力大小768N,拇指提供 112N,相當於外力1400N
假設,你掰彎硬幣需要接觸的面積大小1平方厘米
此時你你承受壓強大小:7.68Mpa
做個對比 飛機胎壓 最大1.4Mpa,其接地均布應力1.4Mpa,
小時候,家附近不遠處有鐵軌,經常去那裡玩,80年代的鐵道沿線不像現在這樣是全封閉的,有時候就會在火車過來前往鐵軌上放1分,2分,5分硬幣。然後火車過去,硬幣變紙片,可以輕輕鬆鬆掰斷,1元硬幣當時應該只有80版的,捨不得沒有試過,90版後的當時還沒有發行,不過估計也會變成紙片。
本來沒打算匿名,驚現排名第二的答案,還是果斷匿了吧。
以前為了變魔術掰過一個一元硬幣,這玩意一般人拿手是掰不彎的。
我當時拿了倆鉗子夾住,輕輕一掰就彎了。
對了,如果你說的是念力的話,大約2000查克拉~
不可能掰斷
上面大牛們列數據做實驗,但是他們忽略了一個東西。題主說要用手。
手指和硬幣接觸面積各為一厘米,根據大牛實驗得900N的壓力。
這個壓強,肉包骨頭的手指頭承受不住,所以無法掰開。
先給 @科學 的實驗過程贊一個,個人覺得用三點彎曲試驗模擬徒手掰彎過程再合適不過了。也
希望很多其他行當的童鞋能夠看到俺們平時都在幹啥~~~
對於實驗部分沒啥異議,從實驗設計到數據採集到解釋都非常合適!!!本答只是對其做一點點補充~!@科學
有個小問題建議修改,在最後的最後回答第4點,關於曲線掉下來的問題。
剛度是用來評價材料彈性階段抗載能力,即彈性變形階載荷與位移的比值,一般用模量來評價。而金屬材料的模量是結構不敏感參數,基本由構成元素和晶體結構決定,不會隨變形和硬化有明顯變化。@科學 在這裡想說的應該是強度。
這個載入曲線反應的是金屬材料在彈塑性變形中的力學行為。
1. 在開始階段,也就是接近直線上升的階段(不是開始那一小niuniu,後面會說),試樣表現為彈性,載荷隨位移(這裡是彎矩或載荷對撓度或位移)變化線性變化,卸載後會基本恢復原狀。其曲線斜率就是模量,斜率越大剛度越好。
2. 在曲線隨後的彎曲階段,試樣發生了宏觀的塑性變形,這階段的變形是卸載後不可恢復的。
下面是這個問題的關鍵部分:
3. 塑性變形初期曲線仍然上升,說明材料發生了加工硬化,也就是越搞越硬,越搞越強了。這個過程就是局部先變形的部分變硬了,就暫時不變形了,其他軟的部分變形並變硬,最後達到整體變硬。這是金屬材料一大優點,表現在結構件上(承載應用,大部分常見金屬構件)技術可以抗過載,也是金屬材料可以廣泛使用的一個重要原因。
4. 曲線達到最高點後開始下降,這時表現為宏觀的加工軟化。宏觀的加工軟化說明試樣的宏觀結構上變形出現了局域化。當加工硬化能力到了一個極限,局部的變形也不會變硬了。但是由於變形導致的幾何改變使這部分的應力相比其他部分更大(應力可以理解為單位面積上的力),變形就會集中在這裡,然後這部分繼續變形,應力繼續變大,但載荷是減小的(因為作用面積變小更快)。載荷的下降表現為曲線下降。當然,曲線不斷就說明試樣沒斷。
這裡說的階段對於彎曲試驗來說有相當程度的簡化,用來描述單軸拉伸試驗更合適(因為單軸拉伸的載入條件應力狀態更簡單,更直接,所有的參數物理意義更明晰)。而彎曲試驗受試件幾何條件影響較大。但是對於金屬材料變形本身來說,微觀機制是一樣的,理解起來不會有問題。
ps:對曲線的分析始於直線段,有同學會問,那前面那一小niuniu怎麼辦?個人認為,那一小niuniu是設備造成的,這在實驗中很常見。是載入系統的間隙、樣品和載入卡具的配合等造成的。通俗的比喻,用拳頭打人時,位移表示出拳距離,載荷表示作用力,拳頭先打在了羽絨服上,等到了肉才會真的有明顯的阻力(例如壓頭到連桿到橫樑到液壓或電驅系統的各個間隙要先咬合,這部分機器是不知道的,所以位移在走,力卻不大)。這部分不是材料相關的信息,所以一般剪掉。
PSS:對於題主的問題,其實是很難掰彎的。答主@科學 的實驗和 @徐騰飛 老師的模擬其實都有一個大前提,就是手要提供足夠好的支撐,至少要好到三點彎曲試驗中卡具提供的點接觸。而人的手一是比較粗,一是比較軟,這就導致載入面積變大,同時力臂嚴重減小。要實現實驗中的效果,所需力要提高數倍甚至數量級。
PSSS:有童鞋提到魔術師的表演,硬幣我是絕不相信會用手掰彎的。不過我小時後學過一個魔術大家可以試一試,這個是可以實現的。
道具:一把不鏽鋼小勺或餐叉(圖中的刀就算了,脖子太粗),一雙會一點遮擋技巧的手
表演:
1, 用兩隻手直接掰彎勺子比較難,可以演示給大家看(而且人的心理一般不會用盡吃奶力氣)。
2,手上動作,使用各種表演技巧,表示你在手上或勺上施法。
3,迅速掰彎勺子,擰一個花扣或掰斷。(力氣大的人掰彎可能容易,但是想彎個花扣就需要技巧了,所以要一個比較誇張的花扣或直接搞斷)
4,等待驚訝和掌聲。
技巧:
1, 直接能掰彎的勺子太軟,就不要用了。
2, 直接掰可以有一點點變形但很困難的勺子比較合適。
3,在開始掰時,手上要有動作,看起來是施法,實際上在小範圍的快速彎折。(這裡非常關鍵,手上展示的動作要有隱蔽性,可以反覆擼啊摸啊啥滴。實際兩手要用力快速彎折,每次彎折要保證變形,彎折幅度變大,彎折速度要儘可能快。)
4,在展示手上動作同時,感覺到彎折部分燙手了,在一個表演空擋迅速彎個花扣或反覆大力彎折幾下掰斷。
這個我在十歲左右的時候試過,一次成功。大家可以回去玩兒一下。
人民幣應該用的鋼強度挺大的
一般建築用鋼屈服強度 3,400 Mpa 吧, 我這裡用 500 Mpa
然後扭力半徑 10 mm, 硬幣 25 mm 直徑, 2 mm 厚(黑燈瞎火的亂估的)。
粗略算了一下
800 N 醬^ ^我沒有毀壞硬幣哦,不要抓我
當集中力達到250N,也就是大概25公斤力的時候,硬幣會進入屈服。
人的骨頭和鋼的強度怎樣?
可以看一下人的手指的x射線,看看人的大拇指骨頭的橫截面積有多少。
理論上基本就否定了。
記得上高中的時候,初戀男友跟我打賭,他可以掰彎一元硬幣,我找了一個硬幣給他,他當時掰得特費力,看得出來整個人都在用力,課桌被撞得叮叮咣咣,臉也因為使勁而泛紅,然後他真的掰彎了!!
因為這件事,我崇拜了他這麼多年,現在我都讀研了!分手不聯繫也很多年了,但是,只要一提起這件事我還是對別人用很崇拜的口吻說起他!那個瘦瘦高高卻徒手掰彎一元硬幣的男生!!
直到看到這個問題,這個答案。。。。當年他其實是騙我的吧,應該是袖口裡有一個準備好的彎硬幣。。。。果然是人生如戲,全靠演技,居然騙了我這麼多年。。。。。
這個念咒語就好啦,要不然就一直罵硬幣一直罵它,讓它無地自容,最後就身敗名裂成兩半了
01:11:46 - Do not try and bend the spoon.
01:11:49 - That"s impossible.
01:11:52 - Instead, only try to realize the truth.
01:11:58There is no spoon.
思路是這樣,如果我知道了一元硬幣的材質。查屈服強度表,找RP0.2的壓力值。以半徑為槓桿長度,計算下需要多少力就好了。如果有合適的夾具固定好,比如上面那個銅螺釘卡縫,人手肯定是可以變形它的。
同志 損壞人民幣是違法的
你說我該怎麼辦呢
這要多少士力架阿
你能幫我做個測試嗎?材料:一根304#不鏽鋼,直徑9.5~1.2左右,彎曲到90度,需要多少N,或者多少噸的力,我想買個小型的沖床給我爸爸來做東西!市面上自動的氣壓或者油壓沖床小型的只能提供2噸範圍的力,不知道夠不夠彎曲我說的棒型材料!請問誰有經驗回答這個問題啊!?
作為前面是一後面是菊花的直男,你最多把我掰彎,想掰短,沒門!
什麼,你想走後門?怎麼可能…
反對抖機靈,幹活的贊頂。
那得看手指有沒有力氣,還有會不會用力。我能輕鬆舉起桌子上下三樓,但有時候連瓶蓋都擰不開。
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