陳曉東 西安海棠職業(yè)學院

關(guān)鍵字:力鏈結(jié)構(gòu) 顆粒介質(zhì) 壓力測試 形態(tài)變化

引言

因為顆粒介質(zhì)具有非連續(xù)性和非均勻性特征，所以如果遭到外部事物的壓力和撞擊就會使物質(zhì)整理遭到嚴重破壞和崩塌。例如泥沙、還有高危建筑的倒塌等。在不同的狀態(tài)下來對顆粒物質(zhì)的力鏈結(jié)構(gòu)進行研究可以更好的對物體力學和物理性質(zhì)進行掌握。孫其誠、厚美瑛等編寫了《顆粒物質(zhì)的物理與力學》中講解了在不同尺度上的顆粒介質(zhì)力學研究，通過講解顆粒介質(zhì)的力鏈結(jié)構(gòu)的角度和長度發(fā)生的變化，作出一系列的分析及統(tǒng)計。通過研究成果來對顆粒介質(zhì)的排列角度和接觸力特質(zhì)對物質(zhì)在不同時間、狀態(tài)下的整體形態(tài)作出判斷與總結(jié)。

1 力鏈結(jié)構(gòu)

1.1 力鏈的介紹

顆粒介質(zhì)通過不同的排列方式和排列角度形成各種性質(zhì)的力鏈結(jié)構(gòu)，而多個力鏈結(jié)構(gòu)的組合形成了一個整體的顆粒物質(zhì)，力鏈的論證過程就是通過多種試驗方法可以對一部分顆粒介質(zhì)形成的整體物質(zhì)的力鏈結(jié)構(gòu)得出結(jié)果。

1.2 強力連結(jié)構(gòu)和弱力鏈結(jié)構(gòu)

強力鏈結(jié)構(gòu)和弱力鏈結(jié)構(gòu)是力鏈結(jié)構(gòu)的兩種主要結(jié)構(gòu)方式。其形成方式與顆粒介質(zhì)的排列方式和角度有著直接的關(guān)系。在一個完整的顆粒物質(zhì)中，顆粒介質(zhì)能量與其他顆粒介質(zhì)的接觸面越大就更容易形成強力鏈結(jié)構(gòu)。反之就會容易形成弱力鏈結(jié)構(gòu)。強力鏈的結(jié)構(gòu)一般類似金字塔結(jié)構(gòu)，所以對于豎直向下的壓力有一定的抗壓性。受到外部豎直向下的壓力時強力鏈內(nèi)的顆粒介質(zhì)會根據(jù)力的作用也會形成豎直向下或者偏移豎直向下的角度。弱力鏈結(jié)構(gòu)一般是均勻排列的，對于外界的抗壓力雖然沒有強力鏈結(jié)構(gòu)那么強，但是弱力鏈的結(jié)構(gòu)本身具有一定的穩(wěn)定性和均勻性。在一個整體顆粒物質(zhì)中兩者強有力的結(jié)合會使物質(zhì)的整體更具有耐固性、抗壓定和穩(wěn)定性。例如：一個半圓的金屬顆粒物質(zhì)整理，如果對其進行稍微的豎直向下的壓力時，物質(zhì)形體本身不會產(chǎn)生很大變化。如果加大向下的壓力時，物質(zhì)的頂部會形成平面或者塌陷的形狀，而物質(zhì)整體的下方會逐漸沿著水平方向延伸出來。而如果在長時間、大面積與強大力的作用下，這個半圓形的整體物質(zhì)只會被壓成平面，并不會被壓成斷裂的狀態(tài)，當然切割分離技術(shù)除外。這個實驗的本身說明了一個整體的顆粒物質(zhì)中強力鏈和弱力鏈不同的重要性。

2 影響力鏈的因素

由于力鏈是由不同的顆粒介質(zhì)形成的在不同的狀態(tài)下由于顆粒介質(zhì)的排列方式、角度和離散程度的不同會形成不同的力鏈結(jié)構(gòu)，最終會導致一個整體的顆粒物質(zhì)的抗壓能力和平衡能力有不同的結(jié)果。

2.1 力鏈結(jié)構(gòu)中力量的傳遞方向

在顆粒物質(zhì)的力鏈結(jié)構(gòu)的傳遞方向也與其平面夾角（α）和傳力角(β)有著很大的關(guān)系。一個整體物質(zhì)中的斷裂狀態(tài)與力鏈中的顆粒介質(zhì)的排列位置緊密相關(guān)。

一個力鏈結(jié)構(gòu)中的顆粒介質(zhì)的角度的接觸面與平面夾角（α）越大，強力鏈中的顆粒介質(zhì)的傳遞就會趨向于外部荷載面，說明這個顆粒物質(zhì)的力鏈就越穩(wěn)定，反之，強力鏈中的顆粒介質(zhì)的傳遞就會偏離外部荷載面，那么這個顆粒物質(zhì)的力鏈就越不穩(wěn)定，負荷載能力也就越若。

一個力鏈結(jié)構(gòu)中的顆粒介質(zhì)的角度的接觸面與傳力角(β)越大，就意味著整體顆粒物質(zhì)力鏈因外界的壓力發(fā)生的形態(tài)變化就越大，在這種情況下，如果一個顆粒物質(zhì)內(nèi)沒有足夠的弱力鏈物質(zhì)支撐，那么發(fā)生斷裂的可能性就越大。與傳力角(β)越小，說明整體顆粒物質(zhì)力鏈沒有受到外界跟大的壓力，那么顆粒物質(zhì)的整體形態(tài)也不會發(fā)生很大變化。

一個整體的顆粒物質(zhì)的形體變化與外界的壓力及內(nèi)部顆粒介質(zhì)組成的力鏈體系有關(guān)，而顆粒物質(zhì)能承受多大的外部壓力與力鏈的排列方式以及形成的角度有直接關(guān)系。

2.2 閥值

閾值也叫做臨界值，這里指的是在外界的壓力和影響下一個整體的顆粒物質(zhì)內(nèi)的力鏈結(jié)構(gòu)所能承受的最大值。

在孫其誠等人的力學研究中提到了關(guān)于力鏈結(jié)構(gòu)的對于造成顆粒物質(zhì)的形態(tài)的問題。當形成一個豎直向下傳力的力的作用時，一個顆粒物質(zhì)的荷載也是呈一個豎直的向下的方向傳遞的。而當這個豎直向下傳遞的方向發(fā)生偏移時，會形成一定的閥值，這個時候這個豎直向下傳遞的力就會難以繼續(xù)。這個時候如果加大力的作用力，就會使力的方向發(fā)生更大的偏移，當偏移的角度達到這個顆粒物質(zhì)中力鏈結(jié)構(gòu)所能承受的最大閥值時，力鏈結(jié)構(gòu)就會發(fā)生斷裂，使顆粒物質(zhì)的整體遭到破壞。例如：在一個刀的垂直作用力下，一個物質(zhì)會沿著刀的作用力面發(fā)生一定的形態(tài)變化，如果繼續(xù)使刀垂直向下用力，就會使物質(zhì)的受力面向下傳遞的力的方向發(fā)生偏差而形成一定的閥值。在這個時候如果刀依然繼續(xù)向下垂直用力，那么當閥值達到極限以后，物質(zhì)就會發(fā)生斷裂。

2.3 顆粒介質(zhì)的角度和狀態(tài)

當一個顆粒物質(zhì)的整體受到垂直向下的力的作用時，物質(zhì)內(nèi)的顆粒介質(zhì)會隨著受力的方向的擠壓轉(zhuǎn)移到空隙中。當向下的作用力繼續(xù)時，物質(zhì)內(nèi)的顆粒介質(zhì)就會發(fā)生轉(zhuǎn)移并占據(jù)所有的空隙。這個時候向下壓力會由于物質(zhì)內(nèi)的顆粒介質(zhì)沒有空隙無法移動而出現(xiàn)短暫停頓。如果這個時候繼續(xù)加大向下作用力時，物質(zhì)的力鏈結(jié)構(gòu)就會遭到破壞，發(fā)生斷裂，最終導致物質(zhì)被破壞。例如：一個彈力球在受到外界向下壓力時，彈力球內(nèi)的顆粒的位置會發(fā)生轉(zhuǎn)移，導致彈力球內(nèi)的力鏈結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，那么彈力球的形態(tài)也會發(fā)生一定變化。如果繼續(xù)向下用力擠壓，就會發(fā)現(xiàn)當彈力球的形態(tài)達到一定成的變化時，沒有辦法繼續(xù)改變其形態(tài)，這是因為彈力球內(nèi)的顆粒介質(zhì)已經(jīng)沒有辦法繼續(xù)進行轉(zhuǎn)移而導致的。在這種情況下如果繼續(xù)加大對彈力球的壓力，就會使彈力球內(nèi)的力鏈結(jié)構(gòu)發(fā)生斷裂，從而毀掉彈力球本身。

3 結(jié)束語

由上述內(nèi)容總結(jié)得出，一個完整的顆粒物質(zhì)的整體結(jié)構(gòu)形成和形態(tài)變化是根據(jù)其內(nèi)部的顆粒介質(zhì)所組成的力鏈結(jié)構(gòu)而變化的。強力鏈結(jié)構(gòu)和弱力鏈結(jié)構(gòu)在形成一個完整物體的同時都有著相應的作用。而力鏈結(jié)構(gòu)的變化的原因就是本篇文章所介紹的各因素。

我們通過介紹和舉例演示得出：

1.一個完整的物質(zhì)經(jīng)過垂直向下的壓力的作用下內(nèi)部顆粒介質(zhì)所產(chǎn)生的位置和方向，如果這時物質(zhì)的內(nèi)部空間達到飽和或者達到一定閥值的時候，整體物質(zhì)的形態(tài)不僅發(fā)生很大改變，同時也會使物質(zhì)內(nèi)部的力鏈結(jié)構(gòu)發(fā)生斷裂的現(xiàn)象。

2.一個完整的物質(zhì)的穩(wěn)定性是由與其平面夾角（α）和傳力角(β)來決定的。說明物質(zhì)在不同的狀態(tài)下處于不同的位置那么其自身穩(wěn)定性也是不同的。