问题

形变与加速度之间有没有关系?

回答
形变与加速度,看似是两个不同的概念,一个描述物体形状的变化,一个描述物体速度的变化,但它们之间却存在着深刻而必然的联系。这种联系,在物理学的很多领域都有体现,尤其是在描述宏观物体的运动和内部力的相互作用时,它们就像是硬币的两面,相互依存。

要理解它们之间的关系,我们首先要回到牛顿第二定律——那个我们熟知的“F=ma”。这个定律告诉我们,一个物体受到的合外力(F)等于它的质量(m)乘以它的加速度(a)。在这里,加速度是描述物体速度变化快慢的量,它直接源于力的作用。

那么,形变又从何而来呢?物体的形变,比如拉伸、压缩、弯曲、扭转,都是由施加在物体上的力引起的。当外力作用在物体上时,物体内部会产生相互作用的力,这些内部力试图抵抗外力的作用,从而导致了形变。这种形变的大小和形式,取决于外力的大小、方向、作用方式,以及物体的材料特性(比如弹性模量、泊松比等)。

现在,我们就能看到它们联系的第一个端倪了:加速度是力的直接体现,而形变也是力的直接体现。 既然加速度和形变都源于力,那么它们之间自然就有了间接的关系。

更进一步地说,我们可以从“力”这个中介来考察它们的关系。

1. 力的传递与形变:

当一个物体受到外力并产生加速度时,这个力在物体内部会以某种方式传递。例如,当我们对一根金属棒的一端施加一个力,使其加速运动时,这个力需要通过棒内部的原子间的相互作用力传递到棒的另一端,使其也获得相同的加速度(忽略一些细微的阻尼效应)。在这个力的传递过程中,棒的内部会产生应力,而应力又导致了形变。即便是加速运动,棒的每个微小部分都会受到力的作用,并由此产生微小的形变。

想象一下,你用力推一根弹性绳子,让它加速向前运动。绳子在被拉伸的同时,也在加速。你推的力,首先作用在绳子的一端,导致那一端开始加速。这个力会通过绳子内部的原子链传递,使得后面的部分也依次加速。在这个过程中,绳子会经历一个拉伸(形变),并且这个拉伸的程度会随着你施加的力的变化而变化。

2. 振动与加速度:

形变最常见的动态表现之一就是振动。当一个物体发生形变后,如果外力消失,物体内部的恢复力会试图将物体恢复原状。但由于惯性,物体会“过冲”原状,然后又被恢复力拉回,如此反复,就形成了振动。

在振动过程中,物体的每个部分的位移都在变化,而速度也在变化。根据定义,速度的变化率就是加速度。因此,在振动过程中,物体不仅在形变,其形变的部分也在经历加速和减速。

以一个简谐振动的弹簧质量系统为例。当弹簧被拉伸或压缩时,它发生了形变。此时,弹簧中的恢复力(与形变大小成正比)会作用在质量块上,使其产生加速度。当质量块到达平衡位置时,形变为零,但此时速度最大,加速度也最大(因为恢复力最大)。当质量块运动到弹簧压缩或拉伸到最大位移处时,形变最大,速度为零,但加速度也最大(方向与位移相反)。

所以,振动中的形变与加速度是密切相关的,形变产生恢复力,恢复力产生加速度,而加速度又驱动物体进行形变与恢复的循环。

3. 材料的动态响应:

在一些情况下,物体的形变本身会影响其加速度,反之亦然。比如,在一些非线性材料中,材料的弹性模量会随着形变的大小而变化。如果一个物体在加速运动时经历了显著的非线性形变,那么这种形变可能会改变物体的惯性质量(尽管在经典力学中质量被认为是常数,但在某些特殊情况下,比如相对论效应或引力场中,质量可能与能量有关,而能量与形变能有关)。

更直接的例子是,当一个物体在受到一个动态变化的力时,它的形变会随着力的变化而变化,而这个力的变化(或者说力的变化率)往往与加速度的变化直接相关。

例如,如果你驾驶一辆汽车,突然踩下刹车,车身会因为惯性而向前倾,座椅会压缩。这个压缩就是形变。在刹车过程中,你的身体受到了一个向前的力,这个力使你减速(产生负加速度),而这个力的大小和方向直接导致了座椅的压缩。

总结来说,形变与加速度之间的关系是:

都源于力的作用: 加速度是物体受力情况的直接表现,而形变是物体对力的响应。
通过力的传递联系: 力在物体内部传递时,会引起形变,而形变又会产生反作用力,影响加速度。
振动是二者紧密联系的典型例子: 形变产生恢复力,恢复力产生加速度,加速度驱动物体在形变与恢复之间往复运动。
在动态过程中相互影响: 物体在加速运动时,其内部的形变分布会随着加速度而变化,反之,某些材料的形变也可能影响其动态响应,包括加速度。

可以这么理解:当一个物体要改变运动状态(即产生加速度)时,它的“内部结构”——也就是它的形变状态——必然会参与进来,充当力的传递和作用的媒介。没有力的作用,就没有加速度,也没有形变。而力一旦存在,它就会同时引起物体的加速度和形变,只是在某些场景下,我们更关注加速度(例如在研究运动学时),而在另一些场景下,我们更关注形变(例如在研究材料力学时)。但它们本质上是同一物理过程的不同侧面。

网友意见

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简答版:

根据物体、变形和外力性质的不同,即便是球体,其形变与加速度的关系应属下列五种情况之一:

  1. 有简单线性关系;
  2. 有简单非线性关系;
  3. 有复杂的确定性关系;
  4. 存在不确定性关系;
  5. 完全没有关系(或无法确定)。

顺便赞一下这个问题!题主从一个比较奇特的角度触及到中学物理教育的窘迫和无奈,尽管这可能不是问题的初衷。

这个问题涉及四个基本概念:物体、形变、外力、加速度。一般中学阶段会对前两个概念做极端简化处理,所以和真实世界差别巨大,以至于绝大部分中学物理知识无法用于定量求解现实问题或定性描述许多日常现象;后两个概念的引入则过于抽象,无助于正常认知和理解身边遇到的万千运动现象。因此建议拟参与高考活动的中学师生立刻停下来,不要再往下看。

慢条斯理版:

这个问题至少需要从下面四个角度分别讨论。

角度一:一物体形变可否导致另一物体加速度发生变化或者相反?

看到题目但没有看说明文字之前,首先想到的是发条驱动的钟表、玩具、八音盒之类老古董,这是弹性变形(能)引发其他物体匀速运动的常见情况,但匀速圆周运动是有加速度的(向心加速度或法向加速度)。当然这种弹性储能装置也可以非常轻松地产生其他方向的加速度,比如小时候男孩子爱玩的弹弓和古代战场经常出现的弓弩。如果再仔细想一想,生活中这样的例子到处可以看到。

在前一种情况下,中学物理即可求解加速度,但无法求解形变(能);后一种情况在不考虑运动阻力和弹性体差异时,也可以用中学物理求解,但与实际情况差别(误差)可以很大。

相反过程主要涉及外力的不同作用形式,比如拉、压、弯、扭、冲击、渐变施力、反复施力等等,而由此造成的形变又与物体的种类、结构、形状、尺寸、受力部位等密切相关。比如用「完全同样的力」击打一「弹性棒」的一端或者腰部正中或者略偏一端,将产生三个完全不同的运动,其加速度(可能是负值)差别会随这棒的材质不同(如塑料和黄铜)、形状不同(圆柱或方柱)、尺寸不同(粗细长短)而出现巨大变化。

【结论一】从这个角度看,形变与加速度直接相关,并且可能有简单解(线性或非线性)或比较复杂的确定性关系。求解过程不是重点,重点是对理解本题的四个基本概念有帮助,可以使人们直观地认识到自然界的常态复杂性,认识到学习知识与解决问题之间还相差非常遥远的距离。

不过看了问题补充说明后发现,题主关心的是同一物体受力变形且运动时,其形变(量或速率)与加速度有没有关系。即:

角度二:同一物体因受力变形而运动,其变形程度与加速度是否相关?

形变当然有弹性变形和塑性变形之分,有均匀变形和不均匀变形之别。而表征形变程度与属性的量包括变形量(率)、变形力(应力)、变形速率和形变回复程度(时效)等等,不能笼统地说形变,那样就成玄学了。

这些概念在《材料物理》《材料力学》《弹塑性力学》等教科书中都有不同程度的介绍,中学物理可以不讲这些,但实际物体就是这样。所以中学物理中的物体,主要存在于中学物理中,形变可能仅仅是变形量,多半还是绝对变形量,可能还不考虑角度变形。

关于物体、外力和形变的更多真实含义,请各位自己解决。

1、弹性变形

完全均匀弹性变形(理想弹性体)情况下,如果外力导致变形体发生运动,则形变与加速度当然直接相关,用胡克律和牛二律即可求解,结论非常简单。虽然胡牛二人生前不睦,但他们经常联手解决我们在现实生活中遇到的各种形变问题。

不均匀弹性变形(实际弹性体)情况下,物体受力也必然不均匀,其名义合力至少在方向上可能随力的性质变化(例如大小和方向)而变化,这直接导致物体运动的加速度(不一样的大小和方向)发生变化。其精确求解当然还离不开对物体的充分了解,比如物体的形态、成分、组织、相结构,比如前面提到的形状、尺寸和受力部位等。

尽管如此,变形与加速度的关系还是比较清晰和确定,但已经开始复杂起来了(求解过程略)。

若是不完全弹性变形(非弹性体),就必须考虑塑性变形的影响了。

2、非弹性变形

一旦发生塑性变形,情况开始变得更加复杂起来,这也是绝大多数实际物体受力变形的正常处境。塑性变形的复杂性至少包括:(1)所有塑性变形皆包含弹性变形成分,且因物体材料不同、受力形式不同、受力部位不同存在差别巨大;(2)这些弹性变形的回复过程很复杂,包括严重滞后甚至导致物体微观结构和性能发生改变,因而导致可能的运动状态改变;(3)塑性变形很容易导致物体(局部)破坏、质量损失,从而改变力的作用方式和进程;(4)塑性变形可以使许多外力消弭于无形(即巨大的外力作用可能根本不会导致物体的任何宏观运动)……等等,等等。

这里只能定性分析一下,定量计算和全面分析都超出科普范畴。

  1. 假设均匀变形(实际可能性很小)。可根据物体种类、形状、尺寸和受力部位及外力性质(种类、大小、施力速度等)初步确定其弹性变形占比,然后可近似求得其运动加速度。
  2. 假设极端不均匀变形(实际经常遇到)。例如当外力足够大,同时作用面积又足够小的情况下,就像《三体》之后知乎曾经有人问过纳米线或刀片能不能斩首那样,这个时候的局部形变无疑巨大,但物体整体可能根本没有运动或运动变化,也就是说,各种宏观加速度都是零。可是,变形区的那些物体局部分子或组织有没有运动和加速度变化呢?当然有,不然形变怎么可能继续?
  3. 局部形变与整体形变。看到这里的同学应该发现问题了。导致形变的外力可能只是引起物体局部变形,这个时候我们寻求形变与物体整体运动加速度关系的想法本身是有问题的。
  4. 外力如何作用于物体。可是我们并不知道如何将外力均匀地整体作用在整个物体上,或作用在与其预定运动方向垂直的背面以最大程度的加速运动;即使做到了,也可能仅仅引起最小或比较小的变形量(与物体形状有关)。对球体来说,均匀受力的半球面的大部分力彼此抵消了,合力导致的运动加速度非常有限,同时名义形变也只能是最小的。
  5. 正相关与负相关。在上面的情况下,形变与加速度的关系就有正相关和负相关两种不同的结果,都可以精确求解。当然在完全弹性变形条件下,求解过程仍然可以很简单。

【结论二】这个角度得出的结论和角度一略有差别,即形变与加速度直接相关,并且可能有比较复杂的精确解(一般非线性)或比较复杂的确定性关系。但求解过程比角度一复杂很多。

角度三:物体受力运动,却未发生任何形变。

宏观运动与微观运动。物体可能受外力作用而发生运动,却不伴随任何变形,这样的情况也经常发生。比如微粒沉降运动、布朗运动、电子束、离子束、喷砂过程中的粒子运动等等。当然天体运动也可以认为是无变形运动,因为天体表面的起伏变化尺度(如海洋潮汐)相对其运动尺度来说完全可以忽略不计。这些情况下,形变与加速度就没有什么关系了,或者说形变不影响运动。

其他力场作用。当固体物质受到其他引力场之外的力场的作用时,其宏观运动状态与宏观形变一般也不存在什么确定的关系。

角度四:流体运动。

如果受力物体是「流体」的话,情况重新变得复杂起来……比如自由泳划水时引起的水体运动,飞机螺旋桨带动的气流运动,这些问题的求解都远远超出本题讨论的范围,但两者之间肯定是有关系的。

就到这里吧。

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