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为啥把铁条做成弹簧的样子,就会有很大的弹性?

本帖由 漂亮的石头2020-07-15 发布。版面名称:知乎日报

  1. 漂亮的石头

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    [​IMG] 杜帅,对各种语言感兴趣 阅读原文

    题主观察到的现象是很常见的,只是表述上用词不太专业而已。

    铁条本身就有弹性,直着拉也会伸长,松开以后也可以恢复原样,这叫做轴向拉伸,即外力与铁条的轴线共线,只不过这个伸长量太小,肉眼难以察觉而已。如果将铁条绕成弹簧,施加相同的拉力,可以产生很大的变形,这是因为外力这时候与铁条轴线几乎垂直,使其发生弯曲和扭转,这与轴向拉伸相比,变形量会产生显著差距。

    相同荷载产生的变形量大小,通常我们用柔度,而非弹性来表述。至于这两种情况差距有多大,我们可以简单算一下:

    如果一个直的铁条,长度 [​IMG],弹模[​IMG],横截面积 [​IMG],我们加一个轴向拉力 [​IMG],伸长量是 [​IMG]

    这是基本的材料力学公式。

    [​IMG]

    现在我们把他做成弹簧,也就是绕成 [​IMG] 圈,取其中一圈分析:

    圆心角 [​IMG] 对应 A 截面处内力:

    弯矩 [​IMG]

    扭矩 [​IMG]

    总伸长量就是

    [​IMG]

    半径与总长度关系 [​IMG]

    [​IMG]

    我们再假设铁条截面为圆形,直径为 [​IMG],那么截面相关几何参数为

    面积 [​IMG]

    惯性矩 [​IMG]

    极惯性矩 [​IMG]

    那么我们将两个伸长量做个比值

    [​IMG]

    这个比值只与几个量有关,钢铁的弹性模量与剪切模量之比 [​IMG],剩下的就是铁条的长度与截面直径之比 [​IMG],对于一根细长铁条来说,这个比值取 100 应该是合适的,还有一个圈数 [​IMG],我们暂定为 10,那么这个比值大约是 111 倍。

    上式还可以简化为

    [​IMG]

    很显然,铁条越细长,绕的圈数越少,弹簧就越容易被拉开。

    阅读原文
     
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