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力的傳遞有速度嗎?

2016年10月07日 知乎問答精選 暫無評論 閱讀 113 ℃ 次

【豬小寶的回答(638票)】:

這種低速低能量的問題,用不著思維實驗,也用不著粒子物理。1807年托馬斯·楊就已經在論文裡提到 stress-wave propagation 的概念了。

力的傳播速度也沒有那麼快,用不著千萬公里長的物體,一般來說,十幾米長的已經綽綽有餘了。

(圖片來源:(圖片來源:engineering.purdue.edu/

就像照片裡這樣,如果我整一個很長的圓棒,與支座之間的摩擦很小,圓棒上每隔一定距離貼一個應變計。然後我用大錘猛敲圓棒的一端,請問這三個應變計的讀數會同時變化嗎?

這個實驗一點兒也不複雜,砸一下錘子,記錄三個應變計的讀數就行了。實驗做出來,三個應變計的讀數是這樣的:

橫坐標是時間,縱坐標是應變計的讀數。很明顯,它們不是同步變化的,而是依次變化。兩個應變計讀數發生變化之間的時間,就是「力」或者叫「應力波」從第一個應變計所在的位置傳播到第二個應變計所在的位置所用的時間。

當然,我畫的是一個非常理想化的模式圖,實際的實驗結果其實是這樣的:

(圖片來源:B. Song, C.J. Syn, C.L. Grupido, W. Chen, W.-Y. Lu, A Long Split Hopkinson Pressure Bar (LSHPB) for Intermediate-rate Characterization of Soft Materials, Experimental Mechanics (2008) 48:809–815)(圖片來源:B. Song, C.J. Syn, C.L. Grupido, W. Chen, W.-Y. Lu, A Long Split Hopkinson Pressure Bar (LSHPB) for Intermediate-rate Characterization of Soft Materials, Experimental Mechanics (2008) 48:809–815)

應力波的傳播速度跟很多因素有關,最最理想化的估算,應力波的速度等於楊氏彈性模量與密度的比值再開根號。比如普通鋼材的彈性模量大約為 200 GPa,密度大約為每立方米7.8噸,所以

也就是說,力在鋼材中的傳播速度大約為5000米每秒。我們上面提到的實驗裡,兩個應變計之間的距離大約是3米,所以3米除以5000米每秒就等於0.6毫秒,也就是實驗結果裡相鄰的兩個應變計信號之間的時間。

有沒有覺得5000米每秒這個數值很眼熟?其實小學自然課就已經學過了。如果想早一點知道火車來,只需要把耳朵貼在鐵軌上就知道了。因為聲音在空氣中的速度是330米每秒,而聲音在鐵軌裡的速度大約是5000米每秒,遠遠大於空氣中的速度。

同樣,中學物理可能會提到剛體的概念,為什麼現實中沒有剛體呢?所謂的剛體,也就是彈性模量無限大,把無限大的彈性模量帶進波速的公式,波速也變成了無限大。也就是說,應力波在剛體裡的傳播速度是正無窮,剛體中力的傳播將會是瞬時的。但是我們知道,光速是現實中的速度的上限,所以物體的彈性模量同樣有一個上限,否則波速就會超過光速。在傳統的理論力學提出剛體這個概念的時候,顯然也只是為了簡化分析問題,那時候也並不知道光速的限制。如果現在還拿著剛體來反推光速,那就是本末倒置了。現實世界裡鋼材已經算是彈性模量比較大的材料了,考慮大部分材料的彈性模量和密度的比值,最大的應力波速度也就是一萬多米每秒的數量級,離光速差得太遠了。

當然,如果你要討論的是引力,那麼問題就複雜了,請移步這個問題 引力的傳播速度是光速嗎? - 物理學 即使是引力,目前來看也不會超越光速。有一天太陽突然沒了,地球也會在八分鐘之後才出現效果。

研究力在固體裡的傳播有什麼意義呢?當然有意義了。物體在高速衝擊下的受力與傳統的靜力荷載有非常大的區別,應力波的性質對這些問題的影響很大。現實世界裡的爆炸、汽車撞擊、高速車床加工零件、地震……都是非常快的動力荷載,材料在這些情況下的性能非常值得我們研究。

【地鐵風的回答(8票)】:

我靠看到各種奇葩回答直接跪了……

這都什麼跟什麼啊,四大基本力、量子力學、光速、剛體都上場了……

……

……

……

……

你們知道聲波麼……

// 當然最高票答案是靠譜的~~

【張皓陽的回答(4票)】:

現實中沒有剛體。。

【奔兒的回答(0票)】:

如果是題主所說,那力的傳播速度相當於振動的傳播速度,即介質的聲速,如果是引力,電磁力,那就是光速。

【我看看的回答(0票)】:

力傳播的時候就是一種機械波,當然有速度,而且很慢很慢,我是說相對於光速來說很慢

【老兔子的回答(0票)】:

想起一句話,不知道放在這裡合適不合適,「介質不同 傳播速度不同」。

氣壓傳動與液壓傳動的機械設備的響應速度應該不同吧。

【尋劍客的回答(0票)】:

應力波,機械振動。

【杜帥的回答(20票)】:

力在物體中傳遞?中學老師應該就教過,力不能這樣傳遞。物體一端受力,另一端完全可以沒有力,之間沒有什麼關係。

變形可以傳遞,不過這個要看你說的物體是不是剛體。

世界上不存在剛體,所有物體受力都會產生變形,變形的傳播跟聲音的傳播一樣,傳播速度(波速)取決於物體(介質)的性質。當然這不可能超過光速。

如果你把這物體假設成剛體,一端的位移會瞬間導致另一端的位移,但這種根本不存在的理想模型即使超過光速也沒有任何意義。

【張廷奎的回答(1票)】:

力在物體中的傳播是靠形變來實現的。

在剛體的力學模型下,剛體沒有形變,可以認為這種傳遞是瞬間完成的。

但是絕對的剛體不存在,而狹義相對論又告訴我們,沒有任何帶有質量的物體的速度能夠超越(達到)光速。

所以力在物體中的傳播是不可能超越光速的。

學生黨學藝不精,可能有錯誤,歡迎大家指正。

【德依的回答(2票)】:

看著一群不懂力學、概念不清的人答的跟paper似的 聲學科班出身的我表示:呵呵。一句話答你吧:力的傳播速度即該介質中波的速度。如固體應力:各類聲速;真空中的電磁場力:光速。這裡說的力,都是場的概念。說白了,初中生都知道,繩子波動,質點沒走。力傳播了嗎?傳了,說的是一個力嗎?No

【李寧的回答(0票)】:

量子力學有超距作用,相對論認為引力波傳遞速度不超光速。

【Levin的回答(0票)】:

那什麼……固體的熱量傳播速度最快是光速。熱量傳播就是粒子機械能傳播。所以當然有速度了。

PS:固體與氣體的熱量傳播機理不同,後者是分子熱運動,相對來說是龜速。

機械波的傳動速度是這種介質的聲速吧。

【水墨溢夏的回答(6票)】:

所有物體都是個彈簧,剩下的自己想吧

【王沛宇的回答(5票)】:

四種相互作用傳遞依靠四種玻色子

萬有引力:引力子

電磁力:光子

強力:膠子

弱力:弱規範玻色子

他們就像信使一樣傳遞著力,信使是有速度的,且在現有理論中不超光速

【摩爾應力員的回答(2票)】:

正好我們實驗室也有一套分離式霍普金森壓桿。(前面是拉桿,後面是壓桿)

原理圖:原理圖:

最後是波形圖,也就是入射桿和透射桿上測得的應變。最後是波形圖,也就是入射桿和透射桿上測得的應變。

這是用鎂合金作為試樣的衝擊壓縮結果。要算應力波傳播速度就是應變片貼片的距離除以時間差(圖上黑色入射波起始點和紅色透射波起始點的時間差),中間試樣處理論上速度會有改變,但試樣尺寸很小,可以不考慮。這是用鎂合金作為試樣的衝擊壓縮結果。要算應力波傳播速度就是應變片貼片的距離除以時間差(圖上黑色入射波起始點和紅色透射波起始點的時間差),中間試樣處理論上速度會有改變,但試樣尺寸很小,可以不考慮。

【知乎用戶的回答(0票)】:

是有速度的。比如說一個長桿撞擊一個壁面,從撞擊處會產生應力波,應力波傳到自由端就會需要一段時間。對於鋼的話,應力波波速大概在5000m/s.初中的時候學的聲音在鋼中的波速就是這個值,因為聲波在固體中時也可以看作應力波。

【知乎用戶的回答(0票)】:

力不能直接傳遞,或者說力本身就是一個人在研究過程中提出的概念,但位移可以傳遞。

我們可以假設有一根剛度無窮大的桿,桿兩端各有一個人,其中一個在一端施加一個力,另一個會在同時受到力的作用,但這種材料不存在,現有的材料都是會變形的。

【沛霖的回答(0票)】:

不超過物體作為介質的聲波的速度

【琴堪勿的回答(0票)】:

嗯,這個問題還是有必要釐清的,先佔個坑。

【看哪這人的回答(0票)】:

需要時間,且傳遞的速度遠小於光速,平時我們看到的物體尺度很小所以給人的感覺剛體傳遞速度是瞬時的,實則不然,當物體尺度很大時就會顯現出來,比如地震中地震波的傳遞就是一個很好的例子。物理中理想的剛體是不存在的。

標籤:-科學 -物理學 -力學 -物理思考


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