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薄薄的易拉罐是怎么可以承受那么大的压力的?

时间:2022-06-22 13:06作者:admin打印字号:

1、引言

一张薄薄的易拉罐的皮,柔柔软软,如果面内去压,轻而易举就弯掉了。但是,如果把它卷成一个圆筒,同样用力去压,就很难压扁。如果再上下封口,形成一个完整的空易拉罐,甚至可以承受我这样一个成年人的重量。这究竟是怎么回事呢?

2、易拉罐的材料

一个物体的承载能力肯定是跟材料密切相关的。同样的材料,豆腐和钢铁是不可同日而语的,所以我们得知道易拉罐是用什么材料制作的。早期的易拉罐是用不锈钢制作的,虽然很结实,但是有点重。后来,技术进步了,铝逐渐成为了易拉罐罐身的主流材料。与不锈钢相比,铝的密度约是不锈钢的1/3,所以从原来60g的不锈钢易拉罐变成了15-21g的铝质易拉罐。大大减轻了重量,同时也足以承受罐内的气压。现在各种各样的易拉罐,除了罐盖那一点点是马口铁,其他部位都是纯铝的。

那么,纯铝这种材料强度怎么样?同学们都知道铝合金,通过掺杂不同的材料,可以改善其力学特性,所以铝合金的种类有很多,力学特性也千差万别。纯铝虽然叫纯铝,但是不同的生产方式,不同的处理方式,也会有不同的力学性能。图示是1060工业纯铝在不同的热处理工艺下的应力应变曲线。大家可以不管这7道次、8道次,都是一种处理手段。大家请关注这个不同曲线的最高点,可以看到差不多是220MPa左右,这个数据跟普通的钢铁比起来虽然还有点差距,但是整体性能已经较为接近了。

 3、受压的稳定性

薄片状态下,根本不能承受很大的压力,会出现一些奇特的现象,力学上叫做“屈曲”。易拉罐的铝皮这么薄,大概是0.3mm,展开后变成平面,两侧受压。这与两侧受拉不同,受压是一种不稳定的情况。当两侧受拉时,即便有一个横向力的干扰,这张薄片也不会产生很大的状态变化,能够很容易的自动的重新平衡。就像山坳里的巨石,即便用力推开,还是会在自重影响下回到原位。但是,当两侧受压时,任何一个细微的横向扰动,就可以打破原始的平衡,并且无法自动找回平衡。就像山顶上的巨石,一有风吹草动,就哗啦啦滚下去,再也回不到山顶了。受压状态下,一旦某处有轻微弯曲,就会在压力的作用下弯的更厉害。而此时对应的外载荷还远未达到极限应力220MPa对应的载荷值。所以,薄片的受压能力很弱。

既然薄片受压能力弱原因来自于它的不稳定性,那么如何提高它的稳定性呢?这里不得不提一下集装箱。大家想一想,集装箱一层又一层堆在码头,它的侧板受到的就是压力,所以它也容易失稳。仔细观察集装箱的侧板,会发现它并不是一块平整的侧板,而是有一些纵向的褶皱。正是这些褶皱增加了侧板的等效厚度,从而提升了它的抗失稳能力。将易拉罐围成一圈,同样可以实现增加“等效”厚度的目的。其实就是提升了它的抗弯能力,因为屈曲就是弯曲的效果。如果将上下两侧再封口,形成一个整体,那么相当于封口附近有了额外的约束,这样只有中间部分比较容易弯,受压能力就可以再次提升。

 4、总结

承载能力离不开具体的结构形式,抛开结构说载荷,都是耍流氓。

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