為什麼塑料袋輕輕一碰聲音就很大?
還是說只是塑料袋的聲音特別容易被感覺到?是塑料袋本身材料的特性?這該怎麼解釋?
(指的是常見的如物美塑料袋、奶茶塑料袋、吐司包裝袋之類)
不妨先考察一下揉塑料袋時的雜訊情況[1]:
上圖是一秒鐘之內揉一團塑料袋時候的雜訊情況,可以看到該雜訊有如下幾個特性:
- 離散/不連續:雜訊是點狀的。
- 點狀雜訊之間的強度差別很大。考慮到能量與聲音強度的平方成正比,點狀雜訊之間的能量差異可能在百萬倍數量級。
然後我們考慮揉塑料袋時候發生了什麼。
彈性模型:
把塑料袋簡化成上圖的模型,並考慮最簡單的情況。上圖中的點表示質量點,點與點之間僅考慮彈性關係。a表示沒有收到揉壓時塑料袋平面的情況,b表示受到一處揉壓快要形成一條褶皺的情況。b中下半部分的材料,其垂直方向受到較大的彈力,如果繼續加力揉壓,超過材料的彈性限度,其內部的彈力不足以抵抗外部的力量,材料便會斷裂或者形變(對於塑料袋,由於有較好的延展性,則是產生摺痕)。在摺痕產生的同一時間,由於材料內部已經積蓄了一定的彈性勢能,摺痕產生之後,材料內部的彈性勢能以熱和聲音的形式釋放出來,便有我們聽到的雜訊[2]。
基於這種最簡單的模型,如果我們持續的對塑料袋加力(揉),摺痕會不斷的(離散的)出現,彈性勢能對應的釋放。大的摺痕對應大的雜訊,小的摺痕對應小的雜訊。於是,可以理解的,在揉塑料袋的過程中,我們不可能控制聲音的大小,但是可以控制雜訊產生的頻度。
以上便是這個問題的最簡單模型,能解釋類似於下圖這種摺痕產生時雜訊的情況[3]:
但是由於材料的不同和加力情況的不同,該種簡單模型並不是通用的。更為常見的,是下圖中的情況[4]:
摺痕的產生並不是規律的,它們的形狀通常不是一條線,而且相互交叉,形成類似山脊( ridge)的幾何平面形狀。這種複雜情況就不好使用模型來模擬了,我們實際的來揉一團紙/塑料膜[4]:
並分析其中脊的數量和長度情況:
可以看到:
- 較長的脊數量較少,較短的脊數量明顯增對,但是極短的脊數量也較少
- 脊的長度分布大概符合對數正態分布
分布模型:
如果把長度跟脊產生時雜訊能量簡單相關,可以得出:較大的聲音數量較少,明顯更多地是相對小一點的聲音。這跟彈性模型的結果是一致的。
由於實際情況的複雜,人們考慮褶皺的形成時,為了模擬,通常僅僅考慮最簡單的褶皺模型,比如
錐形脫位(Conical dislocations)[5] :
即把一個圓形的薄膜捏起一段,讓它在薄膜中的某處為中心形成一個錐心,在這個中心,材料發生脫位(不可恢復形變)。我們在揉塑料袋時候也會遇到這種形變:
其中心的曲率半徑R_c 與材料的抗彎剛度(bending stiffness, E_b)和拉伸剛度(stretching stiffness, E_s)有關:
而對於各向同性材料
其中h是材料的厚度,ν是材料的泊松比(Poisson"s ratio)。因此,塑料袋越厚,R_c越大,釋放的能量也就越大,雜訊越強。另外還有很多種摺痕情況,此處不一一贅述。
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[1] Kramer, Eric M., and Alexander E. Lobkovsky. "Universal power law in the noise from a crumpled elastic sheet." Physical Review E 53.2 (1996): 1465.
[2] Marder M, Deegan R D, Sharon E. Crumpling, buckling, and cracking: elasticity of thin sheets[J]. Physics today, 2007, 60(2): 33.
[3] A.A. Volinsky, N.R. Moody, D.C. Meyer, 「Stress-induced periodic fracture patterns in thin films」, 11th International Congress on Fracture Proceedings (Turin, Italy, 2005)
[4] Blair, Daniel L., and Arshad Kudrolli. "Geometry of crumpled paper." Physical review letters 94.16 (2005): 166107.
[5] Cerda, Enrique, et al. "Conical dislocations in crumpling." Nature 401.6748 (1999): 46-49.
塑料的摺痕分割成的小片,能量釋放時的自振頻率正好是人耳能聽到的比較敏感的頻率範圍
聲音是由震動產生的,聲音的大小取決于震動的劇烈程度,也就是這個過程中釋放的能量的大小,而這個能量的顯然是人對它做功轉化而來的。比較一下塑料袋和桌子的區別,顯然塑料袋很輕,你一晃他就會有比較大幅度的運動(也包括本身形狀改變),根據功=力×位移(W=F×S)這過程工的功應該是比較大的,而桌子在你敲的時候只發生很小的形變,在力量不大的時候位移趨近零,自然做的功也很少。當然這其中還存在向其他能量轉化的過程,但一般情況下影響不是很大。
反對最高票數。此人回答各種跨領域問題都列舉了一篇「專業」的長篇大論,實際上既沒有總結歸納出問題的解答,也沒有什麼具體的、能令人搞懂搞明白的乾貨。
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個人覺得應該從「聲音的發生是由震動產生」這點作為基本,然後再逐漸分析下去。本人不是相關專業,也就不多說。希望下面能有給力人士能夠真正分析問題做出有意義的解答。
前置:我並不能理解一樓所謂「脊」的彈力模型對塑料袋快速變形時發聲起到什麼作用,而且其模型假設也是錯誤的。
答題:聲音是物體形變擠壓空氣改變其局部密度並通過波的形式傳到人耳而被人感受到的。又題主問為何塑料袋輕輕一碰就有很大的聲音,以我薄知認為可以做出如下解釋:1、我們日常使用的塑料袋大多是聚乙烯或是聚氯乙烯薄膜,其柔性很高,即塑料袋微觀上改變其構型及構象所需能量很低;同時由於其為薄膜形態,故即便是小孩子也有力氣將其揉成一團。當一個人輕輕碰塑料袋時,其力量也足以在局部讓塑料袋的聚(氯)乙烯高分子鏈發生構型構象的改變。2、高分子鏈很小,在塑料袋這個宏觀物體上其數量能達到極大,當塑料袋的一個部位發生形變時,其中大量的高分子鏈改變形態時對周圍空氣的擠壓也足以讓人耳聽到聲音了。
p.s. 我是高分子材料專業本科學生,學識有限,若有錯誤,請多見諒。我覺得這個問題認真想一想都能寫個小論文了,應該還有別的因素使它聲音特別大的,比如高分子鏈末端距的高斯分布等都可能導致這個現象的發生。不過學生黨也沒機會為這個問題申請個實驗室做實驗 。。。不過以上應該能比較通俗的解釋這個問題了。
希望題主滿意~跟成分有莫大的關係吧。。。。
一句話,你會發現其實耳機或者音響的振膜也跟塑料差不多
閱讀博主的解釋確看不懂,但本人不是學習本專業的,也不敢妄加評斷。個人認為是因為1.塑料袋很輕,人力施加在上面,可以使它震動多次,同時2.褶皺很多,很難恢復,聲音是一種壓力波,經反射聲音可傳向四面八方,形成一個巨大的聲區(表達不清,忘理解大意)
pp料的聲音大,pe的基本沒聲。問題根本不嚴謹
感覺都把問題複雜化了。自己試試明白了,塑料很有彈性。
你在很慢很慢地按它的時候會發現塑料首先有輕微的形變,這時候放手它會恢復原樣,沒有任何聲音。
但如果此時繼續按下去,它會在某個程度啪地一下彈到另一個位置,從而發出聲音,這時你鬆手已經不會恢復了,也可以說能量被釋放了。
而當你揉捏時,會有大量的這種「彈動」出現,發出啪啪啪的聲音
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