理科生觉得哪些知识不知道是文科生的遗憾( 三 )


所以国家标准在设计钢结构建筑时,都会要求建筑的耐火时限。在这个时限内,结构才是安全的。
那木材是怎么做到比钢铁更“持久”的呢?
这是一张烧过火的结构木图片,我们发现外表虽然碳化的十分严重,但内部的结构几乎完好如初



由于木材的致密结构,在外部暴露在火灾下的时候,由于内部没有氧气所以不会发生燃烧
而外部的“木炭”向内扩展的速度又非常缓慢(参见烤串烧炭烧红要好久)
使得内部一直可以承受结构重量,从而达到了更坚挺的效果。



这是来源于火灾现场的一张照片
可以看到钢梁由于高温熔化,软得像橡皮糖一样“躺”在了木梁上
而木梁虽然也有些“面目全非”但好歹还是保持了原有的结构。
(当然我们现在有很多手段可以改进钢铁材料,让其耐火性更强。本文的意图只是做一个小科普,并没有十分准确的数据支持,同行请理解嘻嘻)

2.混凝土泡在水里会“干”的更快
小时候看建筑工地的工人施工都会十分担忧
“刚涂完水泥,没干透呢就下雨了,楼会不会塌啊”



包括水泥地上的一些脚印,我都以为是没干透的水泥下雨了,导致人陷进去…………
其实不然
水泥的硬化过程其实是一个化学过程(水和反应)
水作为反应的原料,在固化的一整个过程中,其实是越多越好的!
(注意:不是说拌水泥时水加得越多越好,而是在水泥成型后的固化过程当中!!!)
所以才会有“水泥养护”的说法



图中的工人就是在给成型的水泥浇水覆膜,防止夏天水分蒸发
使其有足够的水分参与到水泥的固化当中,可以让混凝土品质更高
我大一的时候,p都不懂,在实验室帮忙,做一些混凝土试样
当我的导师第一次要求我把它们泡水里的时候,我心里是困惑的



像这样让试块在水池里“泡大澡”后来学了微观结构,了解了水泥固化的微观过程
“混凝土水养”才知道了其中的道理

3.(木材)胶合板比实木更坚固
实木的更好,这个直觉的来源
大概都来自近几年大家对“实木家具”的追捧
但其实人造木材(胶合板,LVL)在结构中的应用比实木大得多,力学性能也更好。
实木由于自然形成,会有许多“缺陷”这导致在受力时会恨不均匀,容易造成裂纹和破坏



而人造板材(胶合板)
通过把一张一张木片叠合在一起,分散了“缺陷”,使得木材结构更均匀



这样当某处微小裂纹产生时
会由于周围都是“完美”材料,而防止其进一步扩散
而且胶合板可以被制作成任意长度和形状,使其在工程中得到了广泛的应用。
(胶合板在木制建筑中主要用于横梁、托梁、门架、承重柱等等受力结构)
话说回来,为什么实木家具会比人造木更受追捧呢?
这就涉及到实木比人造木的优点了!
刚才我们讨论的是两者的力学性能
但谁家买个家具,做个橱柜,铺个地板,可能都不是用来承重的吧(桌面碎大石??)
实木家具由于纹理自然(美观),吸水性,隔音性好,才被广泛用于家装材料当中。
实木的价格也更贵,更贵就代表着高级…………



实木家装,高级感溢出屏幕以后当大人在挑家具的时候,说“这都是胶合板,质量不好”的时候
自己一定要在心里为胶合板正名啊!
因为它都是被用在看不见的地方,默默承受建筑重量,保护的大家的安全!

更新#
4.橡胶是“不可压缩材料”
小朋友,你是否有许多问号??
我宁愿相信我奶的假牙是不可压缩的,也不会相信橡胶会“不可压缩”



其实这种直觉颠覆,通常来自于人们对力学性质的常识理解与其学术定义的不同
按照一般常识,橡胶由于其良好的弹性,大多都被用来减震,缓解冲击力等。所以在我们的直观世界里,橡胶就像弹簧一样,可伸可缩,又松又弹,当然是“可压缩”的了
但在工程上,对材料“可压缩性(compressibility)”的定义为:
“温度一定时,流体受压力的作用而使体积发生变化的性质称为可压缩性”——百度词条注意关键词“使体积发生变化”才算可压缩
橡胶作为一种高分子材料,虽然共价键赋予了橡胶某些固体的特征,但其内部单分子水平与液体非常相似。
这种内部高聚物的紧密堆积,使它像液体一样很难被压缩,而且分子之间可以彼此较容易的滑动,因此橡胶可以很轻易的被改变形状,而不是被改变体积
在大型的起重设备上,我们常常听说“液压杆“



起重机上的液压杆液压装置里的液体只是改变了形状,但体积却丝毫不减
泵入多少液体,杆就可以被成比例的推升多高,重物就可以被吊起多高
这个线性关系是工程师最喜欢的,而这正是由于液体“不可压缩”这一特性
试想如果是一个空气压杆,开始的时候充入2m3能使货物抬升1m(打个比方)到后面由于空气不断的被压缩,体积增加不是线性的,所以到最后可能充5m3气体才能抬升1m的距离,这是相当不合算的
在材料力学中,可压缩性(Compressibility)与材料的泊松比(Possion\u0026#39;sratio)有着直接关系.一般来说泊松比越接近0.5,则材料就越不可被压缩
空气的泊松比为0,水的泊松比为0.5,橡胶为0.43
在一般的工程应用中,会忽略橡胶在受压时的轻微的体积变化,而只考虑其形状的影响所以也将其视为“不可压缩”材料。
所以,再揉一揉手头的橡胶制品
形状虽然任你蹂躏,可人家体积是不变的呢
(吃饭啦,有人看以后再更,嘻嘻)

■科学之美
讲8个可以直观感受科学魅力的知识

1、欧拉公式



欧拉是数学史上最伟大的四位数学家之一(阿基米德、牛顿、欧拉、高斯)。
这个公式的重要意义,在于把指数函数,和三角函数联系在了一起。
有趣的地方在于,当x等于π的时候,公式就变成了



这个公式把e、i、π、1、0五个数学中最重要的数联系在了一起,
令人着迷,而且简洁优美,
被称为“上帝创造的公式”。
2、费马大定理



简单来说就是,勾股定理,在指数为不是1或2的正整数时,都不成立。
费马也是一位数学家,他提出这个猜想后,在旁边写了一句很有意思的话
“我确信已发现了一种美妙的证法,可惜这里空白的地方太小,我写不下”。
然后历代数学家前赴后继,一共用了354年,高斯欧拉等大神都未能证明它。
300年啊,所有数学家一起围攻的一个问题,都没能被解决。
直到1995年,才被英国数学家怀尔斯证明。
费马大定理被称为:困扰世间智者的难题。
在证明期间,许多全新的数学思想就此诞生,所以当它被证明之时。有人说,会下金蛋的鸡死了……
后来人们也基本认定费马没证明,他写那句话就是装个逼……
3、麦克斯韦方程组



麦克斯韦是牛顿之后,爱因斯坦之前最伟大的物理学家。这四个简洁的方程统一了电磁学。
类比一下就是现代物理大致分为经典力学、量子力学、相对论、弦理论,但四个领域的公式很多互不通用。爱因斯坦毕生的遗憾就是没能写出统一所有物理领域的大统一方程。
之前电磁学的公式和知识也是如此散乱,
直到麦克斯韦方程组一出。
麦克斯韦方程组相当于电磁学的大统一公式。
(牛顿把苹果掉到地上的物理公式,和天体运行公式,统一在了万有引力定律)
这个公式是理科生最常用,也最易理解的公式之一,很多理科生看了之后都想跪下来膜拜大神……
3、笛卡尔心形曲线



这是一个用极坐标表示的曲线,极坐标是拿长度和角度表示函数的一种坐标。
这个函数的形状是一个心形,表达式也很简洁优美,就如纯粹的爱心。
笛卡尔是个单身的数学家和物理学家,人们给他和这个函数编了一个凄美的爱情故事,
百岁山的广告就是在讲这个故事。
这个心形函数是初阶版本,进阶版本也有,但较为复杂。
不过不少人觉得这个函数更像屁股……
受此启发,理科生开始了他们的浪漫



5、相对论



物理学上伟人无数,最伟大的就两个,牛顿和爱因斯坦,麦克斯韦都排不上号。相对论的大名大家都听过,但很难讲得又简单又清楚,我就挑好懂的部分讲。
先说狭义相对论,起因是人们发现光的速度很神奇:
假如你不动,一辆车以10m/s的速度开过去,你测量车的速度就是10m/s;
如果你以1m/s的速度与车同向走路再测,那车速就是9m/s。
但你测光速,两次结果却是一样的,无论你以什么速度走,光速都不变,与你的速度无关。
这就是光速不变原理。这个基础上爱因斯坦认为光速是最快的速度,然后一通操作,得出结论:
速度越大,质量越大,长度越短,时间变慢。
不过这个要在接近光速的时候才能体现,平时速度慢感觉不到。

广义相对论的基础是重力效果等于加速度效果。
比如你坐电梯,电梯上升加速的时候你会感觉身体一沉,这和地心引力增大感觉相同。
下降的时候会失重,身体一飘和地心引力减小感觉相同。
然后爱因斯坦又是一通操作得出:
光受引力会弯曲。
比如光经过太阳时,所以我们能看到太阳后面的星球。
万有引力是通过引力波转递产生效果的,引力波的速度等于光速。
质量很大的恒星会变成黑洞,光都跑不出来。
爱因斯坦曾说,如果我没有提出狭义相对论或许有人在10年内会提出,如果我没有提出广义相对论,50年内都不会有人提出。
哦,大神,接受我的膜拜。
6、潮汐锁定



月球为什么始终一个面对着地球?这和钱江潮、每天的涨潮落潮是一个原因



由于地球直径很长,所以近日点比远日点受到太阳引力大。
而地球中心是平衡点,所以两端一端被拉向太阳,一端被抛离太阳



又由于地球表面是水,所以两端水被拉高了,就是蓝色笔,为涨潮,另外两端就是落潮。
每天地球转一圈就是潮涨潮落。
月球地球太阳一条线,且月球在中间时,引力最大,潮水最大,即每月十五十六的样子。


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