為什麼較短的物體比較長的物體更難彎曲呢?

時間 2021-05-06 15:55:33

1樓:秦風

影響彎曲的三個原因:長度、剛度、截面形狀。

這三個因素在任何一本涉及材料力學的書中都會有提及,甚至會有詳細的推導。這裡只做通俗的解釋:

假如張三在用雙手扳乙個梁:

張三發現,手頭的梁彎曲的程度會受到這些因素的影響:

用的力氣越大,彎曲越明顯;

梁的材料越「軟「,彎曲越明顯;

梁的橫截面形狀不同,彎曲變形也不同。

為了定量寫出梁彎曲變形的數學表示式,張三把施加的力氣、梁的軟硬、梁的橫截面形狀分別用彎矩 、彈性模量 、慣性矩 (與截面形狀有關的乙個量)來表示。

進行了大量試驗後,張三終於總結出了彎曲變形的定量關係:

也就是說,梁彎曲後的半徑 的倒數(曲率)與彎矩載荷 成正比、與梁的剛度 成反比、與表徵梁橫截面形狀的 成反比。

看到這裡,好像彎曲變形的程度——曲率(或曲率半徑)和長度沒什麼關係啊?

那麼我們再考慮這種情形:

梁還是那個梁,載荷還是那個載荷,變形還是那個變形,只是雙手扳的位置變了。按理說應該和上面那個圖的情況別無二致才對,但我們似乎並不認為這半截變形很大。

所以,生活中我們可能潛意識裡更喜歡用位移

某一位置 處的位移 與該處的曲率有這樣的近似關係:

所以彎曲變形公式就可以寫成這樣:

我們對它沿著梁長度的方向積分就可以得到梁最右邊的位移 :

可見位移與梁長度的平方成正比,也就是我們直觀上的長的物體更容易彎曲。

換句話說,在只受到彎矩的情況下,之所以較短的物體更難彎曲,是因為太短了彎得不明顯

(1)慣性矩 與截面形狀有關,具體計算方法是 ,也就是說梁橫截面上質量越是離中線遠,梁越難變形。這也是為什麼建築材料中「工」字樑很常見的原因,「工」字的上面一橫和下面一橫遠離截面中線,能增大慣性矩減小變形;

(2)上面的分析是材料力學的思路,前提條件是小變形。提及的公式對大變形並不適用,之所以畫得很誇張是為了看得更清楚;

(3)在有的情況下彎矩 還會與位置有關,位移甚至會和梁長度的三次方成正比。這時我們不能再說彎得不明顯只是因為太短了。長短的確會影響載荷彎矩,進而影響曲率和位移,比如這種情況下的位移是 :

2樓:少年包青蛙

問題是沒有錯的,的確是更難彎曲,但是根本原因不是說短的物體更硬,而是因為短的物體,你在作用力的時候,力矩受限。乙個很好的例子,你用手指開啤酒瓶,無論你用多大力氣,正常你不可能開啟,但如果用開瓶器,輕輕就開了,難道你的力氣變大了?還是啤酒瓶蓋變緊了?

其實都不是,只是我們通過開瓶器,加大了力矩。具體參考槓桿力學。

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