「不对!」
结果乔彩虹刚一说完,另一边的林玉便摇起了头:
「不对,这个问题没这么简单。」
「九个小气球和一个大气球虽然体积..也就是V一样,但不代表它们的压强就相同。」
「根据pV=nRT可以很明显看出来,压强一旦不同,储存的气体也会不同。」
乔彩虹脸上立马浮现了一个问号:
「OvO?」
徐云则朝这憨姑娘笑了笑,又看向了右边的林玉,肯定道:
「林玉同志说的没错,这个问题远远比它看起来要复杂很多。」
「那么林玉同志,你能分析出大气球和小气球压强的不同吗?」
林玉思索片刻,拧着眉毛轻轻摇了头:
「直觉和逻辑上告诉我肯定是大气球压强大点儿,但是原理......我不知道。」
徐云朝这姑娘投去了一道赞许的目光。
大气球和小气球哪个压强大。
这个问题搁在后世,肯定会有不少人说是大气球。
原因则是气球球膜的收缩力可以看做一个弹黄系统,然后直接做定性分析就行了。
但实际上。
这个问题远远没有这么简单。
诚然。
朴素地看,张力σ应该随气球大小,也就是形变的增加而增加。
可别忘了。
在气球膨胀的同时,1/r会随气球大小的增加而减小。
所以如果从材料层面分析,必须要建立一个非定性的模型才行。
这涉及到了橡胶的超弹性本构,必须要运用到类似Ogden模型之类的广义超弹性模型。
不过后世学过热力学的同学应该都知道。
这个问题除了材料的非定向模型之外,还有一种更容易接受的物理分析方法。
想到这里。
徐云便组织了一番语言,对众人说道:
「小气球和大气球的区别就在于它们的大小,气球膨胀的时候,它的表面便会开始越绷越紧,而且一直有一种想要往回缩的趋势。」
「如果气球里面的气体和气球外面的气体压强一样大,那就没有什么别的力能够平衡这种气球皮的回弹力了。」
「所以气球内部的气体压强其实是比气球外面的要大,或者说是气球皮的这个回弹力把气球内的气体压缩了。」
说到这里。
徐云又让乔彩虹将轮椅推到了一块黑板边上,拿起粉笔画了个图。
示意图的形状很简单,直观点描述就是.....
比划一个「耶」的手势,然后水平朝左,两根手指的指尖各有一个箭头。
接着徐云在「手指」交汇的地方写了个O,指尖弧线连线的中段写了个A:
「各位请看,这里的点O在气球内部,A代表气球表面一个很小很小的小正方形。」
「因为气球是膨胀的,所以表面不是平的而是有一个弯弯的弧度。」
「而表面张力T呢,就是想要尽力把这个弧度拉平。」
「如此一来,是不是就很明显了?」
见此情形。
不少成员下意识点了点头。
确实。
气球的表面存在弧
度,这是小学生都能理解的情况表述。
所以图示上表面张力的方向虽然垂直于半径R,但并不垂直于球心O到这个小面积中心点A的连线。
这个时候如果没有其他的力,这个薄膜...也就是气球表面自然就无法保持平衡了。
换而言之.....
必须要有一个存在气球皮两侧的压力差,以此来抵消这个表面张力T在OA这个线上的作用力。
接着徐云又写下了一段推导:
detF=λ1λ2λ3=1,其中λi(i=1,2,3)代表沿着三个正交方向的拉伸比。
Ψ=∑p=1Nμpαp(λ1αp+λ2αp+λ3αp3).
当p=1,α1=1时。
写作Ψ=2μ(λ1+λ2+λ33)。
假设曲面上气球属于二向受等大力的状态,并且在x3方向上自由。
则柯西应力写为σ3=P+∑p=1Nμpλ2αp=0。(注:我不确定柯西应力这时候有定式了没有,姑且看做有吧,毕竟这个情节非常重要)
设气球初始半径R,初始壁厚经过变形后半径为r,壁厚为h。
则最终式为:
p=2σhr=2λ3σHR=2HR∑p=1Nμp(λαp3λ2αp3)。
这一次。
现场更多人的脸上浮现出了明悟之色。
从这个公式不难看出。
体积元δl/Rl处在公式中段的位置,也就是说不管什么x啦t啦ya啦之类的数值是多少,δl/R是不变的。
换而言之.....
这个时候等式用具体数值两边都除以δl,再代入pV=nRT。
就会发现.....
P=T/R会先减小,后增大。
写到这里。
徐云便放下了笔,双手一摊,对众人说道:
「如此一来,答桉就很明显了。」
「随着气球体积的增大,内部的气压并不会一味的增大或者减小。」
「它的趋势是会先减小而后增加,这叫做极值点失稳。」
「在气压减小的时候,那我们吹气球就会比较费力。」