问题

为什么有些种类的塑料袋轻轻一碰声音就很大?

回答
塑料袋发出的声音大小,很大程度上取决于以下几个因素的综合作用,我们将从材料特性、结构设计和物理互动三个层面进行详细解析:

一、材料特性 (Material Properties):

刚度和弹性模量 (Stiffness and Elastic Modulus): 这是最关键的因素之一。
高刚度材料: 一些塑料,如聚丙烯 (PP) 或聚苯乙烯 (PS),本身就比聚乙烯 (PE) 更硬、更不容易弯曲。当这些材料制成的袋子受到外力时,它们的分子链不容易被拉伸或变形,而是会更倾向于整体震动。这种快速、幅度较小的震动更容易产生高频声波,也就是我们听到的尖锐、响亮的声音。
低刚度材料: 像低密度聚乙烯 (LDPE) 或高密度聚乙烯 (HDPE) 制成的袋子通常更柔软、更有弹性。当它们受到轻微碰撞时,材料会发生形变,吸收一部分能量,而不是直接将能量转化为声波。它们的震动幅度可能更大,但频率较低,声音听起来就更“闷”或更“软”。
薄膜厚度 (Film Thickness):
越薄的材料: 越薄的塑料薄膜在受到相同力度的碰撞时,更容易发生快速的、剧烈的震动。想象一下用手指弹奏一张很薄的鼓皮,它会发出清脆的声音;而一张厚重的鼓皮则需要更大的力量才能发出响亮的声音。薄膜的质量也越轻,惯性越小,更容易被激发产生高频震动。
较厚的材料: 较厚的薄膜刚性相对较高,不易形变,但同时其质量也更大,惯性也更大,需要更大的能量才能使其显著震动。如果厚度适中且具有一定的弹性,声音可能会比极薄的要小。
表面光滑度和摩擦系数 (Surface Smoothness and Coefficient of Friction):
光滑表面: 非常光滑的塑料表面,当两个袋子或袋子与物体接触并滑动时,摩擦力相对较小,但表面的接触区域可能会因为材料本身的特性而形成细微的、快速的“滑动卡顿”效应,产生高频振动。同时,光滑的表面也更容易传递震动能量。
粗糙表面: 粗糙的表面虽然可能产生一些摩擦噪声,但材料本身的形变能力可能会吸收一部分能量,或者粗糙度本身就限制了高频振动的产生。
材料的内耗 (Internal Damping):
低内耗材料: 某些塑料材料在发生形变后,其分子链内部能量耗散较少,也就是说,一旦开始震动,它们会持续更长时间,并且震动的振幅衰减较慢。这种持续性的、相对集中的震动能量会转化为更响亮的声音。
高内耗材料: 另一些材料在形变时,分子链之间的摩擦和能量转化会更显著,能量会更快地以热能等形式散失,从而导致震动快速衰减,发出的声音也就相对较小。

二、结构设计 (Structural Design):

褶皱和折叠 (Creases and Folds):
尖锐的褶皱: 许多塑料袋在生产和包装过程中会形成自然的或人为的褶皱。当这些褶皱在受力时发生相互摩擦、挤压或展开时,会产生非常尖锐且集中的压力点。这些点就像微型的“拨弦”或“敲击”,在材料的弹性作用下产生高频振动,声音就会很响。特别是那些本身比较硬的材料,一旦有了褶皱,发声的潜力就大大增加。
未展开的袋体: 未完全展开、而是有空气在内部形成一定压力的袋子,当受到碰撞时,内部空气会快速被压缩和释放,这也会产生“噗”或“啪”的声音。而完全展开、空气自由流通的袋子,声音可能会小一些。
密封方式和气密性 (Sealing Method and Airtightness):
紧密褶皱或折叠的封口: 如果袋子的封口处有紧密的褶皱,当受到轻微挤压时,这些褶皱会相互摩擦,并可能产生气流的快速泄露(虽然量很小),从而产生明显的声响。
内部空气压力: 有些塑料袋在包装或储存过程中,内部会残留一些空气,形成一定的内压。当袋子受到挤压或碰撞时,袋体表面会发生形变,导致内部空气快速流动和压力变化,产生声音。

三、物理互动 (Physical Interaction):

碰撞的性质 (Nature of the Collision):
快速的接触与分离: 当袋子与另一个物体(包括另一个袋子)发生快速的接触、滑动或分离时,会产生“摩擦震动”的效应。如果接触面积小而压力集中,或者滑动速度快,产生的声波就越响亮。
敲击或挤压: 轻微的敲击或挤压,如果作用在袋子的某个有褶皱或张力的区域,很容易激发其震动。例如,手指在袋子表面划过,或者轻轻一捏,都可能触发声音。
环境因素 (Environmental Factors):
回声和共鸣: 在一个封闭或有回声的环境中,即使是微小的声响也会被放大,听起来更响。例如,在房间里,塑料袋的声音会比在空旷的户外更明显。
背景噪音: 在嘈杂的环境中,细微的塑料袋声音可能被掩盖;而在安静的环境中,即使是轻微的声音也会格外突出。

总结来说,那些轻轻一碰声音就很大的塑料袋,通常是以下几种特性的组合体:

材料本身比较硬、刚性强。
薄膜厚度较低,容易产生高频震动。
表面光滑,有利于快速滑动和能量传递。
袋体内有明显的、尖锐的褶皱或折叠。
袋体在受到轻微外力时,能有效转化为声能,且能量耗散较少。

这些因素协同作用,使得袋子的表面能够以较高的频率和相对较大的幅度进行震动,从而在我们耳中转化为响亮、尖锐的声音。

举例来说,很多 supermercado (超市) 提供的,用于装蔬果的非常薄、透明的聚乙烯 (PE) 塑料袋,尤其是它们在出厂和运输中被折叠、压实后,就很容易出现上述情况。

网友意见

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不妨先考察一下揉塑料袋时的噪声情况[1]:

上图是一秒钟之内揉一团塑料袋时候的噪声情况,可以看到该噪声有如下几个特性:

  • 离散/不连续:噪声是点状的。
  • 点状噪声之间的强度差别很大。考虑到能量与声音强度的平方成正比,点状噪声之间的能量差异可能在百万倍数量级。

然后我们考虑揉塑料袋时候发生了什么。

弹性模型:

把塑料袋简化成上图的模型,并考虑最简单的情况。上图中的点表示质量点,点与点之间仅考虑弹性关系。a表示没有收到揉压时塑料袋平面的情况,b表示受到一处揉压快要形成一条褶皱的情况。b中下半部分的材料,其垂直方向受到较大的弹力,如果继续加力揉压,超过材料的弹性限度,其内部的弹力不足以抵抗外部的力量,材料便会断裂或者形变(对于塑料袋,由于有较好的延展性,则是产生折痕)。在折痕产生的同一时间,由于材料内部已经积蓄了一定的弹性势能,折痕产生之后,材料内部的弹性势能以热和声音的形式释放出来,便有我们听到的噪声[2]。

基于这种最简单的模型,如果我们持续的对塑料袋加力(揉),折痕会不断的(离散的)出现,弹性势能对应的释放。大的折痕对应大的噪声,小的折痕对应小的噪声。于是,可以理解的,在揉塑料袋的过程中,我们不可能控制声音的大小,但是可以控制噪声产生的频度

以上便是这个问题的最简单模型,能解释类似于下图这种折痕产生时噪声的情况[3]:

但是由于材料的不同和加力情况的不同,该种简单模型并不是通用的。

更为常见的,是下图中的情况[4]:

折痕的产生并不是规律的,它们的形状通常不是一条线,而且相互交叉,形成类似山脊( ridge)的几何平面形状。这种复杂情况就不好使用模型来模拟了,我们实际的来揉一团纸/塑料膜[4]:

并分析其中脊的数量和长度情况:

可以看到:

  • 较长的脊数量较少,较短的脊数量明显增对,但是极短的脊数量也较少
  • 脊的长度分布大概符合对数正态分布

分布模型:

如果把长度跟脊产生时噪声能量简单相关,可以得出:较大的声音数量较少,明显更多地是相对小一点的声音。这跟弹性模型的结果是一致的。

由于实际情况的复杂,人们考虑褶皱的形成时,为了模拟,通常仅仅考虑最简单的褶皱模型,比如

锥形脱位(Conical dislocations)[5] :

即把一个圆形的薄膜捏起一段,让它在薄膜中的某处为中心形成一个锥心,在这个中心,材料发生脱位(不可恢复形变)。我们在揉塑料袋时候也会遇到这种形变:

其中心的曲率半径R_c 与材料的抗弯刚度(bending stiffness, E_b)和拉伸刚度(stretching stiffness, E_s)有关:

而对于各向同性材料

其中h是材料的厚度,ν是材料的泊松比(Poisson's ratio)。因此,塑料袋越厚,R_c越大,释放的能量也就越大,噪声越强。

另外还有很多种折痕情况,此处不一一赘述。

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[1] Kramer, Eric M., and Alexander E. Lobkovsky. "Universal power law in the noise from a crumpled elastic sheet." Physical Review E 53.2 (1996): 1465.

[2] Marder M, Deegan R D, Sharon E. Crumpling, buckling, and cracking: elasticity of thin sheets[J]. Physics today, 2007, 60(2): 33.

[3] A.A. Volinsky, N.R. Moody, D.C. Meyer, “Stress-induced periodic fracture patterns in thin films”, 11th International Congress on Fracture Proceedings (Turin, Italy, 2005)

[4] Blair, Daniel L., and Arshad Kudrolli. "Geometry of crumpled paper." Physical review letters 94.16 (2005): 166107.

[5] Cerda, Enrique, et al. "Conical dislocations in crumpling." Nature 401.6748 (1999): 46-49.

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