通過壓扁一個啤酒罐，如何幫我們造出更好的火箭？

作者：Charles Q. Choi

發表於：2017年12月5日

來源：AIP InsideScience

Image credits:Skitterphoto via Pixabay

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研究金屬管的形變，對於從啤酒罐到太空火箭的一切設計都十分有用。最近，科學家發現，通過從側面戳一根圓筒，能夠幫助我們預測它在頂端受壓時何時會變形。

在機械工程學中，一個長期的挑戰是找出一個薄壁管或任何其他薄壁結構能夠承受多少重量或壓力，而不必擔心坍塌。研究人員把結構設計得越堅固，這些殼體就越牢靠，所能承受的載荷也就越大。

「美國宇航局對殼體的變形非常感興趣，因為火箭基本上都是圓筒形的外殼，」英國劍橋大學的工程師J·T·米迦勒·T·湯普森說。他沒有參與這項最新研究，但他以前的工作確實對該項研究有所啟發。「美國國家航空航天局對太空梭的殘留部分進行了全面測試，他們將10倍於人體高度的圓筒送入這些巨大的螺旋裝置，任它們在猛烈的撞擊中轟然坍塌。」

即便如此，殼體內的缺陷仍會大大降低它們在受壓時的抗屈曲能力。這樣的缺陷往往很難識別，這使得預測殼體的抗壓表現變得十分困難。

模擬這些缺陷影響的一種可能的方法是，在這些結構的頂部放置重物，並從側面去戳它們。例如，一個空的蘇打水易拉罐或許能穩穩地支撐住其頂部的一個巨大重量，「但只要你在它的側面輕輕一戳，它幾乎會立刻被壓成餅，」湯普森說。

為了系統地研究殼體的牢固性，科學家將各種商業蘇打水易拉罐放入一台老虎鉗一樣的機器中，並用一張鈍撲克牌從側面去戳它們。這台鉗式機器負責從頂部和底部對易拉罐進行擠壓，撲克牌則從側面對罐身施力，兩者的力量均被精確控制，這樣研究人員便可看到易拉罐何時開始坍塌。

該實驗幫助研究人員描畫出一個「穩定性圖象」，這是一張有起伏的「地圖」，其中的「山脊」和「低谷」揭示出一個易拉罐在綜合受力情況下何時會發生形變。「頗令人意外的是，儘管這些易拉罐看起來各不相同，但它們在被壓縮和被戳時的穩定性表現均可用同一個圖景來描述。」研究的主要作者、哈佛物理學家Emmanuel Virot說。

「Virot和他的同事們據此確認怎樣的受力組合會讓一個圓筒不易或容易坍塌。」我們的研究沒有直接給出能夠讓易拉罐或者太空火箭更堅固或者更不堅固的方法，但我們的研究可以幫助預測在某種外力作用下，它們會不會發生變形。

這項新發現表明，通過從側面戳一個頂部受壓的圓筒，並觀察其反彈，可以預測出這個圓筒在坍塌之前可以承受多大的壓力。「這可能是最有價值的一種無損檢測的方法了。」湯普森說。

該項研究的具體細節發表在11月28日的《物理評論快報》雜誌在線上。

https://www.insidescience.org/news/how-build-better-rockets-crumpling-beer-cans

文章來源： 美國物理聯合會（AIP/American Institute of Physics）--InsideScience專欄獨家供稿。

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