如果用鐵做一個壁厚20cm,直徑一米空心球,往最深的海溝投放,會壓扁嗎?扁成多少米?

李健鵬


如果用鐵做一個壁厚20cm,直徑一米空心球,往最深的海溝投放,會壓扁嗎?扁成多少米?


首先,該球的半徑為0.5米,根據球體的公式V=4/3πR^3可以計算該鐵球的體積為(文中π取值3.14):

V鐵空心球=4/3*3.14*0.5^3≈0.523m^3

其次,可以根據鐵的密度求出該空心鐵球的質量m=ρ V(鐵的密度取值7800kg/m^3),這裡需要6個步驟完成:

1、將該鐵球視為非空心的,則質量為m=7800kg/m^3*0.523m^3=4079.4kg;


2、該鐵球為厚20釐米的空心球,則空心的部分為直徑0.6米、半徑為0.3米,其體積為:V空心部分=4/3*3.14*0.3^3≈0.113m^3;


3、將空心部分視為實心的,則其質量為:m空=7800kg/m^3*0.113m^3=881.4kg;

4、根據空氣的密度為1.293kg/m^3,可計算出空心部分的空氣質量為m空氣=1.293kg/m^3*0.113m^3約等於0.146kg;


5、根據1、2、2三個計算所得數值,可得知鐵球實心部分的體積為0.523m^3-0.113m^3=0.41m^3,其質量為4079.4kg-881.4kg=3198kg;


6、鐵球的總質量m總=m實心+m空氣=1989kg+0.146kg=3198.146kg


再次,根據阿基米德定律(F浮=ρ水gV排)以及g=9.8N/Kg,可以求得該鐵球在水中所獲得的浮力與受到的重力等數值。

1、F浮=1000kg/m^3*9.8N/kg*0.523m^3=5125.4N;


2、而該鐵球重1989.347kg,也就是受到的重力為3198.146kg*9.8N/kg=31341.8308N

很顯然,該鐵球所獲得的浮力與所受到的重力相差甚遠,相差31341.8308N-5125.4N=26216.4308,因此該鐵球必定會沉入海底。

至於題主問的“扁成多少米”這個則需要綜合分析,畢竟鐵是相當緻密的,具有很強的抗壓性。根據小地在前幾題中求得的,最深的海底(馬裡亞納海溝斐查茲海淵-11034米)的水壓相當於1100個標準大氣壓。

根據1標準大氣壓=1.01x10^5N/m²進行推算,1100個標準大氣壓就相當於111100000N牛的重力。而由於空氣的密度較低,在受到1.111億牛的作用力時,鐵球內部的空心部分肯定會被壓縮以至於鐵球變形破裂,當然鐵球破裂之後其體積不會進一步變化,因為鐵真的很結實啊!


地理那些事


這個問題,與之前的類似,所以我就再來算一次。

1、參數計算

需要用到的參數也簡單就是密度7800kg/m3,彈性模量200GPa,泊松比0.33。另外,已經有人計算過了,這麼大的鐵球,完全可以沉入海底,並不會浮起來。

2、問題簡化

如之前的那個問題,直徑一米的鐵球,上下的壓差與收到的壓力相比較小,就直接忽略了。既:在本文的分析中,認為鐵球收到完全均勻的壓力。

此外,鐵球在下落過程中,壓力逐漸真大,鐵球的相應非常快。當鐵球跌落到海底時,它的變形已經完成。實際上,也正是如此。

假設,內部真空。

3、理論分析

與實心球不一樣,空心球內的應力要遠大於外載,原因就在於投影面積不一樣:外載的投影面積不變,但是內部的橫截面積卻變小了,如下圖。

如果時薄壁,那麼可以認為厚度方向的應力都一樣,其內部應力可非常簡單的就得到,感興趣的自行計算(參考材力)。但是對於20cm厚的鐵球,顯然並不均勻分佈。


為了說明問題,先考慮二維無限大平面,內含一個圓孔。我們知道,圓孔的存在造成了應力集中,既孔周應力遠大於外載。三維情況同樣如此:在洞的附近,應力要大於遠處,並不呈現均勻分佈的情形。

4、數值計算

取球體1/8模型,如下圖,壁厚0.2m。

為了模擬下落的過程,載荷取了線性增加(為了方便計算,最大載荷100MPa,不是111.4MPa)。實際下落時間非常長,橫座標的時間並不是真實時間,而實分析步時間,用於增量計算的。主要考慮的是載荷的線性增加過程。

此外,還考慮了重力的影響。雖然,重力與外載相比較小。最後的載荷圖如下。黃色箭頭是重力,粉色箭頭是水壓。

結果如下:等效應力(Mises應力)內層最大,外層最小,這與理論分析結果一致,由於孔洞造成的應力集中。外層壓力170MPa,遠大於外載100MPa,可見這兩個應力並不連續。

三個方向的主應力如下,都是負的,表明是壓應力。其中最大主應力是厚度方向,另外兩個是環向的。從厚度方向看,主應力最大值129MPa,同樣大於外載100MPa,再次說明內應力與外均布載荷不連續。當然,如果壁厚非常厚,那麼最外層內應力肯定與外均布載荷是一致的。

位移結果

針對提問,肯定不會被壓扁,那麼到底壓了多少位移呢?請看下圖,最大位移也在內層,其值8.24e-4m,即0.8mm。外層壓縮了0.7mm。相對於之前的實心球0.022mm,顯然空心球的體積被壓縮的更小。當然,沒有直接的可比性,因為直徑不一樣。


總結

寫到這裡,突然發現建模用的半徑1m,將錯就錯吧。半徑1m的空心鐵球,內部真空情況下,外側會被壓縮0.7mm左右的位移,但是並不會被壓扁。


力學Nerd王小胖


這麼大的壓力結構可能會失穩而導致破壞,可以用有限元軟件做一下屈曲分析,就知道是否有問題了。


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