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在人们的心目中,鸡蛋壳是很不结实的。形容以弱对强,说是“以卵击石”;形容比较危险的情况,说是“危如垒卵”。其实,这么说也对也不对。人们的印象是从鸡蛋经不起磕碰得来的,要打破鸡蛋,只要把鸡蛋往碗边上轻轻一磕,鸡蛋壳便会破裂。不过,要是均匀地对鸡蛋施加压力,鸡蛋壳就会呈现出让我们惊讶的“坚强”一面!
曾经有过这么一则新闻:日本爱知县的春日本市先生,在汽车前轮用34个鸡蛋,后轮用52个鸡蛋,支起了一辆重量接近一吨的汽车。关于鸡蛋的强度,我们来做一个实验:取两块泡沫塑料垫在鸡蛋的上下,然后放铅块(单重l0kg)在上面,结果表明,一般鸡蛋,至少在3块铅块下不会破碎——即能够承受30kg的重量,强度比较大的鸡蛋则能够承重6块铅块,一共有60kg之多。
鸡蛋壳承重的窍门在于,一是要静态加载,不要动态加载;二是要加载均匀,不能使用尖锐的物件加压或者使局部压强过大。其实,对于任何由脆性材料组成的结构,也都可以在这样的条件下承重很大。
以两种不同的握鸡蛋方法为例:满把握鸡蛋,鸡蛋各个方向受力比较均匀,不是很容易捏碎。而用拇指抠鸡蛋,这时鸡蛋受一个集中力,很易于破碎。在蛋壳内的小鸡虽小,但它在蛋内用一个又尖又硬的嘴,很容易就顶碎蛋壳,破壳而出。这种现象延伸到工程学或者建筑领域,就是被普遍应用的“薄壳”结构。
我们可以设想自然界的生物:经过亿万年的进化,逐渐淘汰掉那些浪费材料的结构,而保留下来的结构大多是比较合理和节约的。例如,植物的茎是中空的,植物的种子有外壳来保护,鸟类的卵,低等动物(乌龟、蜗牛,贝类)的外壳,高等动物的骨骼、头盖等等,都是薄壳结构。在工程技术中,薄壳结构也大量应用在飞机、火箭、潜水艇、轮船、大型屋盖、水塔、冷却塔、拱坝等上。
我们的标题“蛋壳启示录”只是说,对于理解薄壳结构的优点鸡蛋壳有启发性,而对于人们在工程技术中从开始使用到普遍应用薄壳结构,那可不是这样简单的事情——它是科学家们长期从事理论研究和实践探索的结果,是人类对整个结构工程研究的结果。人类对结构的精确研究,是大约从1 5世纪对梁的研究开始的,其后才逐步研究拱和板。到了1 9世纪,形成了一门称为弹性力学(对弹性物体在外力作用下的变形和内力进行分析)的学科。薄壳是最为复杂的结构元件,所以薄壳理论成熟得也相对较晚。弹性薄壳的理论是乐甫在19世纪末发展起来的。20世纪20年代,在德国首先把圆柱壳用于屋顶结构。后来出现了球面、马鞍面等多种曲面的壳结构和折板结构。在大型冷却塔中使用薄壳结构大约起于1913年左右。薄壳理论在20世纪40年代趋于成熟,随后被广泛应用于建筑。目前薄壳理论主要研究的内容是:在给定外力、材料、几何形状的前提下分析结构的应力与变形、评估其强度,寻求最优的薄壳几何形状。由于薄壳结构越来越薄,稳定性分析变得很重要,薄壳的大变形分析也受到更多的关注。由于薄壳结构的复杂性,这些分析几乎都要借助于计算机来进行。
曾经有过这么一则新闻:日本爱知县的春日本市先生,在汽车前轮用34个鸡蛋,后轮用52个鸡蛋,支起了一辆重量接近一吨的汽车。关于鸡蛋的强度,我们来做一个实验:取两块泡沫塑料垫在鸡蛋的上下,然后放铅块(单重l0kg)在上面,结果表明,一般鸡蛋,至少在3块铅块下不会破碎——即能够承受30kg的重量,强度比较大的鸡蛋则能够承重6块铅块,一共有60kg之多。
鸡蛋壳承重的窍门在于,一是要静态加载,不要动态加载;二是要加载均匀,不能使用尖锐的物件加压或者使局部压强过大。其实,对于任何由脆性材料组成的结构,也都可以在这样的条件下承重很大。
以两种不同的握鸡蛋方法为例:满把握鸡蛋,鸡蛋各个方向受力比较均匀,不是很容易捏碎。而用拇指抠鸡蛋,这时鸡蛋受一个集中力,很易于破碎。在蛋壳内的小鸡虽小,但它在蛋内用一个又尖又硬的嘴,很容易就顶碎蛋壳,破壳而出。这种现象延伸到工程学或者建筑领域,就是被普遍应用的“薄壳”结构。
我们可以设想自然界的生物:经过亿万年的进化,逐渐淘汰掉那些浪费材料的结构,而保留下来的结构大多是比较合理和节约的。例如,植物的茎是中空的,植物的种子有外壳来保护,鸟类的卵,低等动物(乌龟、蜗牛,贝类)的外壳,高等动物的骨骼、头盖等等,都是薄壳结构。在工程技术中,薄壳结构也大量应用在飞机、火箭、潜水艇、轮船、大型屋盖、水塔、冷却塔、拱坝等上。
我们的标题“蛋壳启示录”只是说,对于理解薄壳结构的优点鸡蛋壳有启发性,而对于人们在工程技术中从开始使用到普遍应用薄壳结构,那可不是这样简单的事情——它是科学家们长期从事理论研究和实践探索的结果,是人类对整个结构工程研究的结果。人类对结构的精确研究,是大约从1 5世纪对梁的研究开始的,其后才逐步研究拱和板。到了1 9世纪,形成了一门称为弹性力学(对弹性物体在外力作用下的变形和内力进行分析)的学科。薄壳是最为复杂的结构元件,所以薄壳理论成熟得也相对较晚。弹性薄壳的理论是乐甫在19世纪末发展起来的。20世纪20年代,在德国首先把圆柱壳用于屋顶结构。后来出现了球面、马鞍面等多种曲面的壳结构和折板结构。在大型冷却塔中使用薄壳结构大约起于1913年左右。薄壳理论在20世纪40年代趋于成熟,随后被广泛应用于建筑。目前薄壳理论主要研究的内容是:在给定外力、材料、几何形状的前提下分析结构的应力与变形、评估其强度,寻求最优的薄壳几何形状。由于薄壳结构越来越薄,稳定性分析变得很重要,薄壳的大变形分析也受到更多的关注。由于薄壳结构的复杂性,这些分析几乎都要借助于计算机来进行。