趣味力学现象资料

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1、竹子的力学特性 竹子的力学特性 竹与“松” 、 “梅”并称“岁寒三友” ，向来是坚劲高洁的君子的 国画家李苦禅在他画的竹子画上题词说： “木出土时先有节，长到凌 云还虚心” ， “节” 、 “虚心” 、四季常青这几种品质，怕是历代的方便， 一般都是采用阶梯状的变截面杆（阶梯杆）来代替理论上的等强度 杆。例如，傲然矗立于马来西亚槟城 88 层的云顶大厦，当今世界最 高建筑，高达 452m，是一个典型的“仿竹”杰作，它底部宽大，到 一定的高度就变细一节，是一种阶梯状等强度管状结构。正由于它 具有合理的力学结构，才被大胆地建在一个多台风的海边城市。再 如。大型民用飞机的机翼，大都是采用平直的机翼，这

2、种机翼是一 种扁平的空心等强度结构，其翼肋象竹节一样可提高机翼的抗弯强 度，而空心结构在满足足够的抗弯强度前提下，大大地减轻了重量。 综上可知， 竹子的合理力学结构，将在仿生学领域里大有作为。 象征。我国 构设计之合理，造型设计之完美工艺制 踪迹随风叶，程途犯斗槎 踪迹随风叶，程途犯斗槎 “踪迹随风叶，程途情，用风叶和船只所 显示 秦陵铜车的力学原理 秦陵铜车的力学原理 1980 年从秦始皇陵西侧出土的两乘铜车马， 是仿照秦始皇生前出游的仪仗车 制作的。约为真实车马的 1/2。铜车马结 作之精良，震惊中外。这一历史文物不 仅是举世无双的设计杰作和工艺精品， 而且是秦代机械的曲型代表。在两千多

3、年前的秦代，中国机械设计的先驱者们 已经能灵活巧妙地应用力学知识和原理 进行机械设计了，这无可置疑地证明了，当时我国的科学技术走在世界的前列。 犯斗槎” ，诗人由景入情，以景寓 的流体运动来形象、生动地比喻和描述远行在外人的行迹和旅途。流动显示 是求不改变流体运动性质的前提下，用图像显示流体运动的方法，其任务是流体 不可见的流动特征成为可见的。俗话说“百闻不如一见” ，人们通过流动显示看 到了流场的特征，从而可进一步研究探索和应用流体运动规律。现在以云来显示 大气的流动，人们已很常见。如在每天中央电视台的气象预报节目中，人们能从 电视屏幕上看到由云形成的千姿百态的流动图案， 显示出在大气中所发

4、生的动力 过程。流动显示是了解流体运动特性并深入探索其物理机制的一种直观、有效的 手段。 它能发现新的流动现象， 如层流和湍流二种流动状态及转换、 漩涡、 分离、 激波、 边界层、 壁湍流的相干结构等； 也能为流体力学计算提供可靠的流动条件， 如边界层转折点、激波位置、涡核位置/尾迹宽度等。 风乍起，吹皱一池春水 风乍起，吹皱一池春水 “风乍起，吹皱一池南唐中主的丞相）一首 词的 漫话高压锅 漫话高压锅 通常在海平面上的大气压为的沸点是100度;海拔升高大气 压下 春水。 ”是冯延己（903-960，是 首句，作者用一个“皱“字将春风吹拂而过，使水面荡漾起细微的波纹，使静 景成为动景，从力学角

5、度来看，是一副流动不稳定性的画面，即“风生波“问题， 当观察海面由由风吹起的波浪，当风速达到 76.4m/S 时，碎浪和蒸发率都突然增 加，当风速增大到 88.8m/s 波浪的波长可增大到 6 cm。由于海洋开发利用的需 要，风浪的发生机制问题至今仍是流体力学和海洋科学工作者关心和研究的课 题。 101325pa这时水 降，如在海拔 3000m 处，大气压只有 70000pa 左右，这时水的沸点低于 90 度。我国青藏高原上平均海拔在 4000m 以上，因而水的 沸点低于 90 度， 这就是为什么在高原上煮饭不容易熟的 道理。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

6、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，如何使密闭容器内局部压力保持一个固定值，这就是 排气阀的构造很简单，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。当锅内气压 小于 p 时，排气阀关闭，因为这时重块的重量大于气压对它的压力，重块将排气 高压锅排气阀的功能。 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，排 气阀便打开放气。 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 的设定值为大气压左右，对应锅内水的沸点大约为 120 度。 捞面条

7、的学问 捞面条的学问 捞面条用筷子，这是一个常筷子挑面条，开始比较容易， 问题 次流动，这时微团体作圆周 夜半钟声到客船 月落乌啼霜满天，江枫渔山寺，夜半钟声到客船。这 是唐 气温度比上空相对高，结果高空声速大于 识，但却有说法。用 是剩下最后几根面条如何捞走。 方法是， 先使锅 离火， 然后用筷子在锅里作圆形搅拌， 使面汤旋转起 来， 这时面条便自然会集中到锅底中心， 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 就是所谓二次流问题。如果将旋转起来的面汤看为一 运动，微团加速度指向圆心。其加速度与压力梯度符号相反，压强由锅中心

8、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。 火对愁眠。姑苏城外寒 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远呢？首先，声音是声源得振动 扰动了空气，扰动以波得形式往外传。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， 这时波前就不再保持球面，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， 由于地面接受太阳辐射温 度高， 地面声音大于高空。 这时声音传 播路径折向高空。在

9、夜间，靠近地面空 地面，声音折向地面，这就是夜间声音传播相对远的道理。 伐木的学问 伐木的学问 用刀裁玻璃是先制造裂纹而员撕布也是先在布边剪一个小 口， 用锯子在靠近地面的地方把树锯出一条 缝， 鲁班之前两百多年的墓葬中就有锯子了， 伐树 峡江漱石水多漩 峡江漱石水多漩 钻火巴东岸，枞金峡口船多漩。这是宋代诗人范成大 所作 色的流体旋 涡。 如何在生产过程中控制旋涡的产生 和发展，并对自然界中有巨大破坏作用的旋涡加强预报，研究减轻灾害的方法。 后造成断裂， 售货 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力学方法最常 见的例子。 伐木时先 也就是先加工出一条裂纹来，人们站在裂纹一侧

10、 在裂纹上方尽可能高的且易于施力的地方用力推树， 这个裂纹受拉，是典型 I 型裂纹问题，这时造成树干 断裂的原因主要是裂纹尖端的应力强度因为达到木头 的临界断裂韧性值，实际上，现在实验室中测定材料 断裂韧性所用的柱状三点弯曲试样其原理和伐木及其 相似。 早在由此看来人们用锯子开制裂纹 至少在 2700 多年以前就开始了。 。束江崖欲合，漱石水 “初入巫峡”五言律诗中的诗句。范成大的诗生动形象地描述了在长江三峡 段行舟所遇旋涡的惊险情景，有时能安稳行舟，江面上如熨毂一样顺利恬静，但 江水忽然翻滚而起如缣车翻搅， 使人猝然不备。 从范成大对漩涡形象描述中看出， 他对旋涡产生的规律进行的思考。特别是

11、“未尝有定处，或无故突然而作”这段 描述，与近代流体力学对壁湍流猝发现象的描述颇有相似之处。 实际上不只是江水中有旋涡， 在自然界中我们可以经常到形形色 宇宙空间的旋涡星云可能是尺度最大的旋涡。夏季的台风是反时钟方向旋转 的强烈旋涡。海面与地面上的龙卷风也是一种破坏性极强的旋涡。旋风分离器是 靠人为制造的旋涡来分离由锅炉排放出烟气中的固体颗粒，使得烟筒只排放 较洁净的气体，以达到环境保护的目的。 旋涡有害有利， 所以科学工作者们在研究 从土豆的内伤谈起 从土豆的内伤谈起 家庭主妇们经常抱怨，好出里边的褐黑色的一块块 坏斑，奇怪的时，买土豆时任你怎么挑选，也总是避免不了有坏斑这种倒霉的” 与美例

12、析 与美例析 在雅典卫战的伊瑞，体现了极大的艺术 魅力 端端的土豆，一削皮就露 内伤 “苹果、 梨等水果中也时常遇到。 心细的学过力学的人， 不难回答这个问题， 原来毛病出在包装运输中，在装车运输土豆时人们总是想装得多以提高效率，殊 不知装车时碰撞都给土豆造成许多内伤，土豆褐水果得“内伤”问题恰好是一个 曲型得接触问题。土豆和水果等许多材料都可以近似看作是最大剪应力，超过一 定限度就产生破坏的材料。最大剪应力不发生在表面而在深层，而且半径和压力 愈大，深度也愈大，实际接触物体形状虽然各式各样，但上述规律是相同的。这 是为什么土豆外表完好而内伤累累原因。 西方古典建筑的力西方古典建筑的力 先神庙

13、建筑中，用女性外形作成柱子 。图中示出女子形体柱中的女子右腿膝盖稍微弯曲，给人的感觉似乎上部的 重量仅落在她的左腿上。 这就极为巧妙地将女性象征秀眉的人体美学观点和仅用 一条腿即可轻盈地支撑上部巨大的重量的力学感受 完美地统一起来。 女性形体柱的长细模仿了真人的身 体比例， 近代希腊和罗马女性的身体比例， 如果以前 后腰径为 1.0， 则年青女子的身高平均值约在 7.60 8.40 这个比例，与象征女性柔美的爱奥尼克柱式， 科林沁柱式的长细比非常接近。 用女性形象作柱， 不 但可以使人从美学上有更高的享受， 而且从力学的角 度分析也是非常合理的。 由此可知， 古希腊人和罗马 人对于石材柱的力学

14、性能已经有了相当深入的认识。 上面所研究的柱身有整根石料做成， 还是分成若干个 圆柱体叠成， 对于轴心受压柱来说， 考虑压杆的整体稳 这就类似于现代钢筋混凝土圆柱， 尽管施工中需在柱的适当高度设置施工缝分段 浇制，但在设计中并不考虑这些施工缝的影响。 定性时， 结论都是相同的。 万有引力影响人的情绪 万有引力影响人的情绪 月球的引力对地球上的所有物资都会发生潮湿影响，对地球的固态地壳，每 日也 使用拐杖的力学 使用拐杖的力学 先从健康者行走说起，当举左腿向前迈进时，身体重 心在 产生两次轻微的凸起现象，不过不象海水潮湿那样可以由明显的观察。这种 潮湿现象现在对人身的影响，就是人的情绪、行为产生

15、剧烈的波动。尤其对那些 饮酒过量、忧郁症病人，神经衰弱的人影响更加明显。人体内有 80的物质是 流体状态，而液体的元素成分和已存在几十亿年的地球海水成分是一致的，即然 月球引力对地球的海水产生潮湿现象，而对人产生情绪影响也是很自然的了。理 论证明，月球运动引起潮湿时，人体内的荷尔蒙，触发神经电解液，神经机能， 在这种突然外来的强大引力及其周围的电磁场和冲击下出现紊乱， 人体内各部分 的水分分布出现不均衡、神经系统会变得敏感、脆弱，超过了控制能力就会发生 非正常的情绪作为。 地面上的垂直投影电（以后称重心点）在右脚鞋底轮 廓内。 换举右腿时， 两脚间距离不大， 重心横向摆幅不大。 如果行走时故意

16、增大两脚间距离， 则行走时重点轨迹横向 摆幅增加。重心纵向移动属行走的目的，而横向摆动过大 不仅浪费气力，且引起姿态失常。受伤者借助单拐行走， 当举健康腿时，重心点位于患腿与拐杖之间，其位置决定 于患腿承受体重的分量，受力愈小，重心点愈靠近拐杖， 当拐杖置于健腿侧，则行走时重心点轨迹类似正常行走， 横向摆幅小，若拐杖置于患腿侧，举健康腿侧时，重心点 将移出患腿外侧，不仅行走时费力，姿态别扭，更严重的 问题是由于横向摆幅大降低横向稳定性，容易摔倒。 野渡无人舟自横 野渡无人舟自横 “独怜幽草涧边生，上有黄鹂深树您鸣;春潮带雨晚来急，野渡无人舟自横。 ” 生理流动与医学听诊 生理流动与医学听诊 自然界和工程中粘性液流和湍流，人体中的生 理流 当您反复吟诵这美丽的诗句时，如画的意境重现在您的眼前，真是美不胜收。可 见您可曾想到蕴涵在这洗炼的诗句中还凝聚着诗人对力学现象的洞察力。 为什么 小船总是横在河里呢？这里有一个流体力学问题，直立在桌子上的细杆，是一个 不稳定的平衡位置， 而悬挂的直杆平衡是稳定 的，前者，受一扰动后，重力形成的力矩将使 细杆远离平衡位置， 后者力矩倾向于恢复平