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为什么橡胶不可压缩?

Muthukumar M的照片
星期一，2011-07-18 04:54 -Muthukumar米
材料
橡胶

亲爱的所有,

为什么橡胶和类似的软质材料是不可压缩的?我不需要任何公式的解释，如体积应变为零或泊松比为0.5等。当我们施加压缩载荷时，物理上会发生什么?举个例子，当你压缩气体时，它的密度会改变。有什么属性在改变吗?

谢谢你！

Muthu Kumar M

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评论

提交的sreenath星期二，2011-07-19 01:33。

亲爱的Muthu,

可压缩性被定义为在静压条件下减小体积的能力。或者它是体积模量的函数。从材料强度方程可以看出，当泊松比为0.5时，体积模量趋于无穷大(接近0.5时，体积模量趋于较大)。

Sreenath.A.M
Asst.教授
机械工程系
国立理工学院
卡利卡特、印度

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Muthukumar M的照片

提交的Muthukumar米星期四，2011-07-21 05:51。

亲爱的Sreenath,

我完全同意你的看法。在我的问题中，我已经明确地说过，我不需要任何关于那个观点的解释。

Muthu Kumar M

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索志刚的照片

提交的锁志刚星期日，2011-07-24 07:33。

对这个讨论感兴趣的人也应该看看同样话题的另一个帖子，也是由Muthu Kumar发起的。

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索志刚的照片

提交的锁志刚星期二，2011-07-19 07:02。

橡胶是聚合物链的网络。每个聚合物链由许多单体组成。聚合物链通过共价键交联。共价键使橡胶具有类似固体的性质。如果这些交联被去除，橡胶就会变成聚合物熔体，变成液体。

因此，橡胶在单体水平上与液体非常相似。像液体一样，聚合物被密集地排列，因此橡胶很难改变体积。也像液体一样，聚合物可以相对移动，所以橡胶很容易改变形状。

有了这个分子图，很明显，改变橡胶的形状比改变体积要容易得多。剪切模量比体积模量小得多。在造型中，我们常常忽略体积的变化，而关注形状的变化。也就是说，我们假设橡胶不可压缩。

这种理想化的不可压缩性并不总是合适的。例如，不可压缩材料不支持纵波。但我们知道橡胶可以支撑纵波。纵波的速度比横波的速度大得多。

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提交的Banerjee Biswajit星期二，2011-07-19 18:30。

解释得好，志刚。

橡胶的比重为1.1 ~ 1.2。这表明橡胶中C/N原子与H原子的比例近似等于水中O原子与H原子的比例(对于给定体积)。我发现这一点很难与密集包装的论点相一致。任何评论?

——Biswajit

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索志刚的照片

提交的锁志刚星期二，2011-07-19 23:43。

亲爱的比斯瓦吉特:这里用“密集包装”这个词来与气体作比较。例如，水通常也被认为是不可压缩的。水很容易改变形状，所以它的可压缩性只有在特殊情况下才重要。

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提交的Ajit R. Jadhav星期三，2011-07-20 04:01。

亲爱的Biswajit,

在水分子中，每一个O原子(wt ~16)对应两个H原子(质量数~1)。在橡胶中，聚合物的组成将是“疯狂的”，从某种意义上说，是“可变的”。从一种物质到另一种物质，甚至可能在同一时间。然而，考虑到C和N原子的原子wts分别为~12和~14。因此，在橡胶中，我会假设C/N原子与H原子的比率将远远大于0.33，原因有两个:(I)比重bbb1.0， (ii) C/N的原子wts比o低。因此，这两个比率不可能近似相等。

正如我最近在个人博客上的一篇文章所写的那样，液体可能被认为是几乎完全密集的。金属凝固过程中的体积收缩率为10%。因此，当一定数量的固体金属熔化时，其原子可漫游的额外空间，按线性计算，只有3.2%左右。如果你采用硬球模型，这个增量太小了，密集堆积的论点不适用。如果一种固体物质被密集地包裹，那么这种物质在液体状态下也几乎是如此。

(旁白:作为一个进一步有趣的暗示:当流动发生时，必须有颗粒/细胞/“球”，由数亿甚至数十亿个原子组成，所有原子一起移动，给定颗粒内的单个原子永远不会改变它们作为邻居的特定原子。这样的颗粒必须能够携带某种结构。)

——特

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(E&OE)

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提交的Ajit R. Jadhav星期三，2011-07-20 03:18。

亲爱的中国,

很好的解释，特别是关于液体的密集堆积，以及你指出的压缩性和纵波之间的关系。在此，我愿谈以下几点看法:

“也像液体一样，聚合物可以相对移动，所以橡胶很容易改变形状。”

液体没有固定的形状。固体聚合物可以。因此，形状变化的各自机制必须是不同的——前者是“永久的”，后者(或多或少)是弹性的。

“相对”运动这个术语有点模棱两可。固体橡胶(或更一般地说，固体聚合物材料)的弹性变形主要是由于伸展运动在最初弯曲的聚合物链中，如与a相反滑动一个链条整体对抗另一个链条的运动?事实上，交叉连接的存在本身就排除了滑动的可能性。然而，交叉连接发生在孤立点的事实也允许在每个聚合物内的连接点之间的部分中形成扭结。

——特

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(E&OE)

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索志刚的照片

提交的锁志刚2011-07-20星期三19:53。

亲爱的阿吉特:谢谢你。我应该说得更精确一些。交联固定了聚合物网络的拓扑结构。也就是说，聚合物链不能改变它们彼此之间的连通性。然而，交联并不妨碍单个链的小片段相对于另一个链移动。

也就是说，橡胶整体上是一种弹性固体，但局部上是一种液体。

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提交的Ajit R. Jadhav星期四，2011-07-21 05:37。

亲爱的中国,

再加上这个怎么样?强调也就是说，橡胶在整体上是一种有弹性的固体，但它的作用是连续体液体在本地。

添加强调的原因是:我的假设是，“正常”液体(如熔融金属)在全球范围内充当连续液体，但在局部充当连续固体。

——特

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(E&OE)

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Muthukumar M的照片

提交的Muthukumar米星期四，2011-07-21 06:09

尊敬的索教授

谢谢你的解释。你只取交联后的单体，对吧?

Muthu Kumar M

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提交的格兰特·汉森(未经证实)2011-07-19 19:28。

你在寻找微观力学的解释，但从这个角度来看，橡胶实际上是可压缩的。橡胶的体积模量比钢低整整两个数量级，但钢被认为是可压缩的。

只有在考虑典型的变形时，把橡胶看作不可压缩才有用。正如志刚所说，橡胶的体积模量(K)与剪切模量(G)之比很高，因此其典型变形以剪切为主。假设它是完全不可压缩的，通常会引入很少的错误。

方程不好意思，但K/G=2(1+v)/(3(1-2v))所以v->0.5意味着很大的K/G，但不是很大的K。

在高度受限的几何形状中(如沟槽中的o形圈)，橡胶的可压缩性变得很重要。

http://www.invariantlabs.com

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提交的Ajit R. Jadhav星期三，2011-07-20 04:00。

嗨,格兰特,

整洁点:K/G比大但K值不大(比钢低两个数量级)。

——特

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(E&OE)

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Jayadeep U. B。的图片

提交的Jayadeep U. B。2011-07-21 00:49

我觉得有必要提一下我在本科学习固体力学和流体力学时遇到的一个相关困难。在固体力学中，我们把钢的泊松比取为0.3，这使它具有高度可压缩性，而在流体力学中，我们认为水是不可压缩的。对我来说，这似乎完全不符合直觉，尽管我没有任何适当的事实和数据来向某人寻求解释。

多年来，它一直是一个未解决的难题，直到我认识到可压缩性/不可压缩性的假设是基于与其他变形(如剪切变形)的比较。钢中的剪切应变与体积应变在同一数量级，而流动液体中的剪切应变比其中的体积应变高出许多数量级。

我确实在我的固体力学课上提到了这一点，但我不确定我能不能很好地向我的学生传达这件事，或者他们中有多少人真正理解它……

问候,

Jayadeep

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杨丽香的照片

提交的李翔杨2010-03-23 20:22

本文讨论了橡胶的可压缩性

聚合物的粘弹性模型:时间、温度和静水压力依赖于过渡温度和压力下的杨氏模量和泊松比

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0167663621000922

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