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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,

为什么橡胶之类的软材料是不可压缩的?我不希望在公式中有任何解释，如体积应变为零或泊松比为0.5等。物理上，施加压缩载荷会发生什么?以气体为例，当你压缩时，密度会改变。有什么性质在变化吗?

谢谢你！

穆图·库马尔

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评论

提交的sreenathon Tue, 2011-07-19 01:33

亲爱的Muthu,

压缩性被定义为在硬静态压缩下减小体积的能力。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，体模量趋于无穷大(接近0.5时，体模量趋于较大)。

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

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提交的Muthukumar米周四，2011-07-21 05:51。

亲爱的Sreenath,

我完全同意你的看法。在我的问题中，我清楚地提到，我不希望在这方面有任何解释。

穆图·库马尔

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提交的锁志刚Sun, 2011-07-24 07:33

对这个讨论感兴趣的人也应该看看另一个相同主题的帖子，也是由Muthu Kumar发起的。

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提交的锁志刚星期二，2011-07-19 07:02。

橡胶是由聚合物链组成的网状结构。每条聚合物链由许多单体组成。聚合物链由共价键交联。共价键使橡胶具有类似固体的性质。如果这些交联被移除，橡胶就变成了聚合物熔体，是液体。

因此，橡胶在单体水平上非常类似于液体。像液体一样，聚合物密集地堆积在一起，使橡胶难以改变体积。也像液体一样，聚合物可以相对移动，因此橡胶很容易改变形状。

根据这张分子图，很明显，改变橡胶的形状比改变体积容易得多。剪切模量比体积模量小得多。在建模中，我们经常忽略体积的变化，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，不可压缩材料将不支持纵波。但我们知道橡胶可以承受纵波。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原子的比率大约等于水中O原子与H原子的比率(对于给定体积)。我发现这与密集包装的论点很难调和。任何评论?

——Biswajit

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提交的锁志刚星期二，2011-07-19 23:43。

亲爱的比斯瓦吉特:这里使用的“密集包装”一词是用来与天然气进行比较的。例如，水通常也被认为是不可压缩的。水很容易改变形状，所以它的压缩性只有在特定的情况下才重要。

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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，每个O原子(wt ~16)对应两个H原子(原子量~1)。在橡胶中，mer的组成将是“疯狂的”，在某种意义上:“可变的”。从一种材料到另一种材料，甚至可能是同一种海洋。然而，考虑到C和N原子的原子质量为~12和~14。因此，在橡胶中，我认为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> 1.0，(ii) C/N原子的wts比o低。因此，这两个比率不可能大致相等。

正如我最近在个人博客上的一篇文章中所写的那样，液体可能被认为是几乎完全密集的包装。金属凝固时的体积收缩率是，比如说，10%。因此，当一定数量的固体金属熔化时，其原子可以在其中游荡的额外空间，按线性计算，仅为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。如果一种固体物质的密度很大，那么同样的物质在液体状态下也几乎是如此。

(题外话:作为一个更有趣的暗示:当流动发生时，一定有颗粒/细胞/“球”，由数亿甚至数十亿个原子组成，它们都在一起运动，给定颗粒中的单个原子永远不会改变它们作为邻居的特定原子。这种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,

简洁的解释，特别是关于液体密集堆积的观点，以及你指出的可压缩性和纵波之间的关系。但我愿就以下问题发表评论:

“也像液体一样，聚合物可以相对移动，因此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”运动这个术语有点含糊不清。难道固体橡胶(或更一般地说，固体高分子材料)的弹性变形主要是由于伸展运动最初扭结的聚合物链，作为对比滑动一条链整体上对另一条链的运动?的确，交叉联系的存在本身就排除了滑动的可能性。然而，交叉连杆发生在孤立点的事实也允许在每个mer内的连杆点之间的部分中发展扭结。

——特

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(E&OE)

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索志刚的照片

提交的锁志刚on星期三，2011-07-20 19:53。

亲爱的阿吉特:谢谢你。我应该说得更准确。交联固定了聚合物网络的拓扑结构。也就是说，聚合物链不能改变彼此之间的连通性。然而，交联不能阻止单个链的小段相对于另一个移动。

也就是说，橡胶整体上是弹性固体，但局部是液体。

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提交的Ajit R. Jadhav周四，2011-07-21 05:37。

亲爱的中国,

加上这个怎么样强调?:也就是说，橡胶在整体上是弹性固体，但在整体上是弹性固体连续体液体在本地。

增加强调的原因:我的假设是，“正常”液体(如熔融金属)在整体上是连续的液体，但在局部是连续的固体。

——特

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(E&OE)

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Muthukumar M的照片

提交的Muthukumar米周四，2011-07-21 06:09

尊敬的索教授

谢谢你的解释。你是拿单体，交联后才对吗?

穆图·库马尔

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提交的格兰特·汉森(未经证实)on Tue, 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。橡胶的体积模量足足比钢低两个数量级，但钢被认为是可压缩的。

只有在考虑典型变形时，认为橡胶不可压缩才有用。正如志刚所说，橡胶的体模量(K)与剪切模量(G)之比较高，因此其典型变形以剪切为主。假设它是完全不可压缩的，通常会产生很小的误差。

不好意思，K/G=2(1+v)/(3(1-2v))所以v->0.5意味着K/G很大，但K并不大。

在高度受限的几何形状中(如凹槽中的o形圈)，橡胶的可压缩性可能变得很重要。

http://www.invariantlabs.com

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提交的Ajit R. Jadhav2011-07-20星期三04:00

嗨,格兰特,

工整点:K/G比大，但K不大(比钢低两个量级)。

——特

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(E&OE)

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贾亚迪普。的图片

提交的贾亚迪普。周四，2011-07-21 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，我们认为钢的泊松比是0.3，这使得它具有高度压缩性，而在流体力学中，我们认为水是不可压缩的。这对我来说是完全不直观的，尽管我没有任何适当的事实和数据来向别人寻求解释。

它一直是一个没有解决的难题，可能很多年了，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(比如剪切变形)的比较。钢中的剪切应变与体积应变是同一个数量级，而流动液体中的剪切应变比液体中的体积应变高许多数量级。

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个问题，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

提交的李翔杨星期二，2021-03-23 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、温度和静水压力取决于杨氏模量和泊松比跨越转变温度和压力

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

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