一根 1m 长的玻璃棒,摔倒地上断成 3 段,最短一段的平均值是多少?
既然是理想状态,那这就是一个力学问题,而非数学问题。
因为理想状态下玻璃棒摔断的位置不会是随机的。
1、初步的分析
我们知道像粉笔之类的脆性材料做成的细长杆,在落地时会摔成三段[1],这是因为自由落体的细杆受到了端部的横向冲击力,使得杆件内部弯矩过大造成断裂。
这个断裂位置一般并不在中间[2],这跟掰面条不一样。掰面条的初期加载是一个准静态弯曲过程,断裂位置是看材料的缺陷位置发生裂隙发育。
玻璃棒或者粉笔摔断的过程,从一开始就是一个动力学过程,而非准静态弯曲,必须考虑动力学效应。
我们知道,杆件触地时,产生极大的角速度,使其迅速旋转,而这个过程中就会在杆件内部产生很大的惯性力,并产生惯性力矩,所以这个力学模型更接近于「烟囱倒塌」模型[3]。
2、「烟囱倒塌」力学模型
有哪些经典的力学现象和原理?上边引用论文里的分析比较复杂,用我以前写过的回答来分析一下,学过理论力学和材料力学的工科大学生是可以看明白的。
烟囱质量为m,长为l,密度为ρ,当转过θ时,角速度为ω,角加速度为α,产生惯性力矩 。
首先根据力矩平衡求出角加速度和角速度
得
然后计算内力
烟囱内惯性力和重力都是分布力,
重力是均布力
而惯性力分为
径向的离心力
法向惯性力
所以根据动静法
动弯矩
动轴力
这是一个轴向拉伸与弯曲的组合变形形式,对于烟囱内的材料,主要考虑拉应力引起的破坏,所以要找弯矩最大值的位置,即
轴力也会有影响,轴力前期受压,后期受拉,成抛物线形分布,最大值位置
即轴力最大值位置随角度变化而变化,从x=0移动到x=l处不等
也就是说,弯矩和轴力的分布情况是这样的:
根据拉弯组合的强度条件
基本可以判断,发生破坏的位置就在总高度的1/3处附近或偏上一些,烟囱会在底侧发生断裂。而只考虑弯矩的话,断裂会发生在1/3处的最大弯矩位置。
3、玻璃棒的断裂长度
回到我们这个问题,玻璃棒的每一次触地旋转发生断裂,按照理想情况,都会发生在1/3的长度处。
第一次断裂,玻璃棒会断成 1/3m 和 2/3m 两段。
第二次断裂,是2/3m长度的玻璃棒进一步断裂成 2/3m*1/3=2/9m 和 2/3m*2/3=4/9m 两段。
所以,经过两次断裂,理想情况下玻璃棒会断裂成 3/9m、2/9m、4/9m 三段,其中最短的一段长度就是 2/9m。