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快乐文学 >> 走进不科学 >> 第五百四十七章 徐老师小课堂开课啦(下)

第五百四十七章 徐老师小课堂开课啦(下) 3/4

这个问题搁在后世,肯定会有不少人说是大气球。

原因则是气球球膜的收缩力可以看做一个弹簧系统,然后直接做定性分析就行了。

但实际上。

这个问题远远没有这么简单。

诚然。

朴素地看,张力σ应该随气球大小,也就是形变的增加而增加。

可别忘了。

在气球膨胀的同时, 1/r会随气球大小的增加而减小。

所以如果从材料层面分析,必须要建立一个非定性的模型才行。

这涉及到了橡胶的超弹性本构,必须要运用到类似Ogden模型之类的广义超弹性模型。

不过后世学过热力学的同学应该都知道。

这个问题除了材料的非定向模型之外,还有一种更容易接受的物理分析方法。

想到这里。

徐云便组织了一番语言,对众人说道:

“小气球和大气球的区别就在于它们的大小,气球膨胀的时候,它的表面便会开始越绷越紧,而且一直有一种想要往回缩的趋势。”

“如果气球里面的气体和气球外面的气体压强一样大,那就没有什么别的力能够平衡这种气球皮的回弹力了。”

“所以气球内部的气体压强其实是比气球外面的要大,或者说是气球皮的这个回弹力把气球内的气体压缩了。”

说到这里。

徐云又让乔彩虹将轮椅推到了一块黑板边上,拿起粉笔画了个图。

示意图的形状很简单,直观点描述就是.....

比划一个“耶”的手势,然后水平朝左,两根手指的指尖各有一个箭头。

接着徐云在“手指”交汇的地方写了个O,指尖弧线连线的中段写了个A:

“各位请看,这里的点O在气球内部, A代表气球表面一个很小很小的小正方形。”

“因为气球是膨胀的,所以表面不是平的而是有一个弯弯的弧度。”

“而表面张力T呢,就是想要尽力把这个弧度拉平。”

“如此一来,是不是就很明显了?”

见此情形。

不少成员下意识点了点头。

确实。

气球的表面存在弧度,这是小学生都能理解的情况表述。

所以图示上表面张力的方向虽然垂直于半径 R,但并不垂直于球心O到这个小面积中心点 A的连线。

这个时候如果没有其他的力,这个薄膜...也就是气球表面自然就无法保持平衡了。

换而言之.....

必须要有一个存在气球皮两侧的压力差,以此来抵消这个表面张力T在OA这个线上的作用力。

接着徐云又写下了一段推导:

detF=λ1λ2λ3=1,其中λi (i=1,2,3)代表沿着三个正交方向的拉伸比。

Ψ=∑p=1Nμpap(λ1ap λ2ap λ3ap?3).

当 p=1,a1=1时。

写作Ψ=2μ(λ1 λ2 λ3?3)。

假设曲面上气球属于二向受等大力的状态,并且在 x3方向上自由。

则柯西应力写为σ3=?P ∑p=1Nμpλ?2ap=0。(注:我不确定柯西应力这时候有定式了没有,姑且看做有吧,毕竟这个情节非常重要)

设气球初始半径R,初始壁厚H.经过变形后半径为r,壁厚为h。

则最终式为:

p=2σhr=2λ?3σHR=2HR∑p=1Nμp(λap?3?λ?2ap?3)。

这一次。

现场更多人的脸上浮现出了明悟之色。

从这个公式不难看出。

体积元δl/Rl处在公式中段的位置,也就是说不管什么x啦t啦ya啦之类的数值是多少,δl/R是不变的。

换而言之.....

这个时候等式用具体数值两边都除以δl,再代入pV=nRT。

就会发现.....

P=T/R会先减小,后增大。

写到这里。

徐云便放下了笔,双手一摊,对众人说道:

“如此一来,答案就很明显了。”

“随着气球体积的增大,内部的气压并不会一味的增大或者减小。”

“它的趋势是会先减小而后增加,这叫做极值点失稳。”

“在气压减小的时候,那我们吹气球就会比较费力。”

“等到它超过了极值点变成‘大气球’的时候,内部压强增大,吹起来自然就容易很多了——内部压强大,施加给橡胶的‘压力’就会更大一些嘛。”

由于有绷带的阻挡。

因此现场众人并没有发现,徐云在说这番话的时候,表情其实并没太多底气。

没办法。

这年头别说neo-Hookean模型了,哪怕是Varga模型都还没面世呢。

没有模型推导,后世赫赫有名的1.4半径比徐云其实是证明不出来的。

因此他只能另辟蹊径,用三参数自由度的角度来进行证明。

反正数值上都没啥毛病嘛......

而就在徐云解释完毕后。

整个学习小组现场先是沉默片刻,紧接着便骤然响起了一阵掌声。

啪啪啪——

众人的表情并不算激动,但原先眼中的质疑却消散了一大半。

取而代之的,则是善意与认同。

就像是.....

徐云从祭品变成了教友?

见此情形。

徐云也不由在心中松了口气。

还好,第一关总算是顺利混过去了......

早先便提及过。

在当初见到周绍平之后,徐云便冒出了组建一个兴趣小组的想法。

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