从材料力学角度解释冬天水管破裂而冰没有碎

水水5 · 发表于 2014-11-23 07:00:10

不知道我这题目算不算理论探讨高端。

这个题目是材料力学第八章强度理论中的课后思考题，话说当年我也去问老师来，老师也说的很像网上的，什么三向受压合力为零，我现在觉得网上的这个答案很可笑。冰的膨胀肯定受到了一定的限制，体积比不受水管禁锢时小。合力为零了怎么还缩小。考虑内力，任何一个稳定的状态的合力都为零。那水管的合力也为零，怎么就破了？

说说我的看法。不对请大侠批评，算是抛砖吧。不知道我这能不能算上砖。

强度理论中分两大类，脆性材料的主要破坏形式是脆性断裂，第一第二强度理论适合。冰属于脆性材料，根据第二强度理论，由于三向受压，其最大应变小，不足以达到极限应变；且根据公式等效应力等于三者差，当然还有个泊松比系数，所以三向受压基本不可能破坏。

水管属于塑性材料，破坏形式是塑性屈服。适用于第三第四强度理论。三向受拉恰是最坏的情况，形状改变比能最大，所以会破坏。

假想一下，冰里面包了个铁块，铁块也会有裂纹的吧

dashizuijimo · 发表于 2015-4-8 16:26:47

我觉得楼主考虑的太多了。
水结冰是从外到内结冰的，水发生相变后体积增大，后结冰的部分在水管的中段，结冰时，多出来的体积被外面的先结的冰堵住了，冰跟水管也有摩擦力，在体积膨胀给水管压力的情况下，摩擦力很大，结冰时，多出来的体积被外面的先结的冰堵住了，及只能沿着径向膨胀超过塑性极限就会破裂。
这也是为什么开口的水缸不容易冻碎的原因。但如果骤然结冰，阻力过大也会冻裂。
而光滑的开口不锈钢水箱很少冻裂。

1007344277 · 发表于 2014-12-20 11:50:35

我感觉冰与金属根本就不是一回事，根本原理上就不是一回事，水管的冻裂不涉及相变，只是单纯的热胀冷缩导致出现裂缝，水的结冰是由内而外结晶的过程，这也就是为什么水的结冰是热胀冷缩的特例。水结冰时膨胀，将出现细微裂缝的水管涨裂，就是这样的

zerowing · 发表于 2014-11-23 13:20:58

本帖最后由 zerowing 于 2014-11-23 13:28 编辑

咱换个说法吧。你别去考虑什么水管还是冰。现在我们手上就是一个正四面体的春体单晶体。俺就这么给你比喻下。
你自己想想，均匀的去全面压这个正四面体会导致这个四面体解体吗？而均匀的去拉这个四面体，会解体吗？想明白了，再看这个问题就容易了。
然后，总的来说。材料被破坏，本质上是分子间或者晶体间的引力关系被拉断。即使是脆性材料的受压破坏，也必然是在另外的方向上受拉断裂。所以，说材料三向均压不会被破坏是有道理的。

爱猫人士薛定谔 · 发表于 2014-11-23 12:23:17

其实我想求张图，以前家里冬天也坏过水管，但没仔细看
在水管破坏之前，理论上冰不会裂开，但破坏是个动态过程，一般来说不会爆裂的，破坏的时候即使冰裂了，也弹不出来，也会连在上面的

LIAOYAO · 发表于 2014-11-23 10:29:31

一个简单受力问题，画几个矢量去理解就容易。

通篇文字只会更晕人。

原谅我今天 · 发表于 2014-11-23 10:24:16

俺力学学得不好，不过俺觉得“冰没有碎”这个说法未必能反映真实情况。俺觉得它本来就是碎的，因为有了来自水管内壁的压力它才结成一整块的。俺这纯属臆测，如果觉得不对，可以无视。

逍遥处士 · 发表于 2014-11-23 10:13:27

那个合力说的是外力。外为阳內为阴，内外不同。

成形极限 · 发表于 2014-11-23 07:14:08

你需要好好理解强度理论所述的破坏条件

成形极限 · 发表于 2014-11-23 07:13:19

三向受压如果均等，去除球张量，没有剪应力成份，不可能破坏

水水5 · 发表于 2014-11-23 07:01:42

其实我觉得我自己仍然不懂。大侠们讨论一下吧

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