科学普及

趣味力学现象-2

 

在上期文章,我们分享了一些生活中的有趣的力学原理,今天继续给大家介绍这类现象,感受力学在生活中对我们方方面面影响。

漫话高压锅

通常在海平面上的大气压为101325pa,这时水的沸点是100℃;海拔升高大气压下降,如在海拔3000m处,大气压只有70000pa左右,这时水的沸点低于90℃,这就是为什么在高原上煮饭不容易熟的原因。为了提高水的沸点,就要将水的环境气压提高。高压锅正是利用加大锅内局部压力的办法来提高水的环境压力。为了避免由锅内压力升高引起高压锅爆炸的危险,如何使密闭容器内部局部压力保持一个固定值,这就是高压锅限压阀的功能。限压阀的构造很简单,实际上是一个金属重块和一个适当面积的排气孔,如图所示,设金属块的重量为w,排气孔面积为s,则锅内的气压被控制。当锅内压力小于p时,限压阀关闭,因为这时重块的重量大于气压对它的压力,重块将排气孔堵死;反之,当锅内气压大于p时,气体对重块的总压力大于重块的重量,限压阀便打开放气。于是高压锅内的气压便可以维持为p。我国现在通用的高压锅,p的设定值为1.2个大气压左右,对应锅内水的沸点为120℃。

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捞面条的学问

捞面条用筷子,这是一个常识,但却有说法。用筷子挑面条,开始比较容易,问题是剩下最后几根面条如何捞走。方法是先使锅离火,然后用筷子在锅里做圆形搅拌,使面汤旋转起来,这时面条便会自然集中到锅底中心,用筷子到锅中心去夹。如此重复几次,面条便会一根不剩。熟悉流体力学的人,不难对面条向锅底集中给出解释,这就是所谓的二次流问题。如果将旋转起来的面汤看为一次流动,这时微团体做圆周运动,微团加速指向圆心,其加速度与压力梯度符号相反,压强由锅中心向锅底是增加的,由于锅底这层流速很小,惯性力与压差不平衡,由此将面条带到锅底中心。

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夜半钟声到客船

月落乌啼霜满天,江枫渔火对愁眠。姑苏城外寒山寺,夜半钟声到客船。这是唐朝诗人张继写的《枫桥夜泊》。读这首诗,我们可以想象,那悠扬的夜半钟声,可以隔河传到彼岸。夜间声音为什么会传得更远呢?首先,声音是声源震动扰动了空气,扰动以波的形式往外传。如果空气中各点的声音是相同的,由这个点传出的声波的波前是一个球面。如果声音在大气中不同高度传播速度不同,这时波前就不在保持球面,而发生畸变,产生折射现象。白天同夜间,声音传播远近不同,就是由这个折射现象产生的。白天,由于地面接收太阳辐射温度高,地面声音大于高空,这时声音传播路径折向高空。在夜间,靠近地面空气温度比上空相对高,结果高空声速大于地面,声音折向地面,这就是夜间声音传播相对远的道理。

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伐木的学问

用刀裁玻璃是先制造裂纹而后造成断裂,售货员撕布也是先在布边剪一个小口,然后再撕开,用锯子伐木等日常生活中随处可见的现象都是断裂力学方法最常见的例子。

伐木时先用锯子在靠近地面的地方把树锯出一条缝,也就是加工出一条裂纹来。人们在有锯缝的一侧裂纹上方尽可能高而又便于施力的地方用力推树, 这时裂纹受拉力作用,在断裂力学中是典型的所谓张开型(又称I型)裂纹问题。这时造成树断裂的原因主要是外力在裂纹尖端的应力强度因子KI达到木头抗断裂的临界韧性值(描述材料抗断裂性能的物性值)后引起的。可见人们利用断裂力学方法为人类服务可追溯到2700年以前当不为过。

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