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跟胖哥学物理物质碰撞后断裂

(2019-03-06 21:04:24)
标签:

杂谈

分类: 生活中的物理
跟胖哥学物理物质碰撞后断裂

         在回答问题之前,我们来认清一些物质是如何由分子和原子构成的。大家学过高中化学,原子和分子通过化学键及分子键组合在一起形成的物质,这种化学键其实就是一种分子直接一种力。原子间的化学键有离子键、共价键、金属键,其分子间相互作用力为范德华力。
        因此,要想使物体发送断裂,物质在碰撞后断烈后化学键和分子键就必须断裂。同一个物体之所以裂开,就是因为在断裂面上没有分子相互作用力。在初中时我们学习分子运动论后,知道“破镜难圆”就是因为断开后,两个断裂出分子之间就没有作用力了,引力和斥力同时不存在了。从化学角度,就是分子键被破坏掉了,分子之间不再存在范德华力,因为就很难重新组合在一起。
        当然镜子要从断裂出对接,有难度。但是如果是金属就容易得多。直接给金属加热后,它们就可以连接在一起。也是因为金属加热后熔化,可以使得断面更好的契合,断面之间的原子间距变小,小到可以产生共同的金属键了。这样在金属冷却后,由于金属键已经建立,所以断面结合了。高分子化合物比金属要复杂的多,原子及分子之间的作用力种类也复杂的多,断面更加的复杂。所以完全契合的两个断面对接基本上不可能了。
         根据刚才我们谈到理论,我们看看物体在强外力作用下发送碰撞会断裂,而且两个断面的不一定一致,造成了两边原子或分子之间的距离无法形成大量的新的稳定的化学键,极少量的化学键作用力微弱,对整体结合没什么作用。因为整个物理在按照碰撞时候力的方向造成化合键破坏,因为分子直接构成化学键失去作用而分开。
        同学们初中物理学过,力可以改变物体形变。形变有两种:弹性形变和塑性形变。
        物体在力作用下出现一些性质,我们把它们叫做材料的力学性质。对于发生形变物体有两种对立种性质:脆性和韧性。脆性是指材料在外力作用下(如拉伸、冲击等)仅产生很小的变形即断裂破坏的性质,与韧性相反,直到断裂前只出现很小的弹性变形而不出现塑性变形。脆性材料抗动荷载或冲击能力很差。金属材料的脆性主要取决于其成分和组织结构。对于物体的韧性,是指材料受到使其发生形变的力时对折断的抵抗能力韧性越好,则发生脆性断裂的可能性越小。
        脆性是指当外力达到一定限度时,材料发生无先兆的突然破坏,且破坏时无明显塑性变形的性质。脆性材料力学性能的特点是抗压强度远大于抗拉强度,破坏时的极限应变值极小。砖、石材、陶瓷、玻璃、混凝土、铸铁等都是脆性材料。与韧性材料相比,它们对抵抗冲击荷载和承受震动作用是相当不利的。材料受力破坏时无显著的塑性变形而突然断裂的性质。一般断裂面较粗糙,断口平直而光亮,边缘没有剪切唇,延伸率和断面收缩率均较小。金属的脆化在很大程度上因其受力状态、加工速度、化学成分、热加工工艺和使用条件的不同面变化。
         材料的脆性还与温度和构成物质纯度有关系有关。一般来说,随着温度降低,物体的脆性增大。在钢铁里惨有杂质,钢铁脆性也会增大。
        同学们看过一部电影《泰坦尼克号》,就是船和冰山发生了碰撞。因为当时气温低,连接船体的铆钉脆性变大。当冰山撞击了船体,导致船体的铆钉承受不了撞击因而毁坏。其实,当初制造时也有考虑铆钉的材质使用较脆弱,而在铆钉制造过程中加入了矿渣,但矿渣分部过密,因而使铆钉变得脆弱无法承受撞击。铁钉断裂后,海水涌进水密舱,但当时泰坦尼克号水密舱最大承受极限为4个,而进水部分为5个,超过了承受极限而发生沉船惨剧。
         后来,美国国家技术监督局的几位科学家利用显微镜和图像分析仪对残骸进行研究时却发现,制造铆钉使用的钢铁质地极其不纯,其中的矿渣含量竟然超过了标准钢材的2倍。根据冶金学理论,这种过量的不纯物质使得铆钉在剧烈的撞击过程中很容易发生断裂。
         材料的力学性质对于我们生活有着重大作用,如何防止物体的脆性在各种复杂环境下发送突变,应该是一个重点课题。因为人类已经开始“上天捞月,下海捉鳖”科学冒险,嫦娥四号登月后遇到温度环境是对探测器最大考验,因此在为了防止探测器由于温度低而脆性增强,科学家在探测器中安装了核电池对探测器进行了保温,防止由于变脆而突然断裂,引起科学实验不可预测性终止。
        随着科学技术成熟,人类越来越掌握物体碰撞后断裂原因,这样在各种复杂环境下减少这种断裂发生,使人类可以驾驶自己航天器,翱翔在天空和海洋里。
2019年3月6日于宜昌夷陵吾同斋

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