想了解物体内部受力情况?给它点“颜色”看看!雨过天晴出现的彩虹、洒水车经过恍然间看到的彩虹、路边小水洼中偶然发现油滴扩散形成的绚丽色彩……这些色彩斑斓、颜色各异的事物,在我们的生活中随处可见。难以想象,缺失了色彩的世界,那会多么的单调啊。现在,颜色不仅能看看,还能拿来用用——用颜色来观测物体内部的受力情况。这究竟是怎么一回事呢?日常生活中,我们会接触到形形色色的物体。
小到塑料尺子、水杯,大到桥梁、楼宇。我们在创制它们的时候,都会考虑到受力的问题。例如在建造桥梁时,哪些地方承受的压力大?哪些地方需要加固?桥梁形状是否合理?能不能达到设计的载重标准?这都是在前期设计过程中需要考虑的因素。经过多年的研究,人们最终找到了如何观察物体内部受力情况的方法,那就是——光测弹性法。光测弹性法最初起源于一种光学现象:光弹性现象。
光弹性现象由苏格兰物理学家大卫·布儒斯特第一次记录,并在二十世纪初由E.G.Coker和伦敦大学的L.N.G.Filon发展应用。随着对光弹性现象了解的深入,人们开始利用光弹性效应去检查机械工件、桥梁或水坝的内部应力分布。自然界中的物质都是由分子和原子构成的,我们假设每一个分子都是一个小弹簧,很多小弹簧堆在一起构成了某个物体。
小弹簧们在高温的时候离得比较远(热胀),伸缩自如;而随着温度越来越低,小弹簧们离得越来越近(冷缩),这时小弹簧的伸缩就会影响到周围的伙伴。如果能够直观看出桥内部各个位置的受力情况,桥梁结构便能够得到极大的优化,并大大节约建筑材料。日常生活中能观察到应力条纹吗?答案是当然的。甚至不需要进入实验室,自己在家鼓捣鼓捣也能看到物体的应力条纹。
简单来说,只需要如下三步:第一步,在电脑屏幕前,打开一个空白的word文件,让显示屏变成白色。第二步,拿一个息屏的手机或者平板怼在电脑屏幕上,像这样~要注意别把屏幕碰坏了呀!第三步,把自己的眼镜(树脂制造)或者随便一个塑料小盒子、塑料水杯等物品放在手机或平板上,并紧挨着电脑屏幕。
接下来神奇的事情发生了——让我们来看看平板上的影子:倒影里看到的图像和我们平时观察到的普通影子不太一样,眼镜镜片和塑料片的内部都出现了彩虹一样的条纹,这些彩色条纹的分布正是物体内部的应力分布。在科学观测中,如果用透明塑料去模拟想要检查的部件形状,再根据实际情况加上成比例的应力,最后就能用光测弹性仪显示出部件其中的应力分布。
截至目前,光测弹性领域不断取得新进展,许多光弹性实验室建立起来,大量的技术改进和简化得以实现。尤其是使用发光二极管的数字偏光镜的出现,使得连续监测处于负载下的物理结构成为可能,促进了动态光弹性技术的发展,而动态光弹性技术对于例如材料断裂等方面的复杂现象研究起到了重大作用。而随着计算机的发展,科学家们甚至不需要做实物模型,只是在电脑上简单操作便能够得出和实际做光弹性实验的结果非常接近的数据。
光测弹性法使得工程师们设计桥梁时间从一年缩短到一个月,而计算机则让这个时间缩短到一周。这或许就是数学与计算机相碰撞擦出的奇妙火花吧。