为什么撕胶带时用笔迅速戳一带就会裂开，但慢慢戳一个洞就没效果呢？
2024-11-19 阅读 78
更新于 2024年11月21日
当我们用笔迅速戳胶带时，笔尖在胶带上形成了非常尖锐的缺口，这个缺口成为应力集中的焦点。同时笔头的侧向压力、手对胶带施加的横向拉力，都作用在这个缺口处，胶带就会从这里开始迅速裂开。
然而，如果你慢慢地戳一个洞，情况就不同了。慢速施力使得胶带有足够的时间发生塑性变形，材料在受力下逐渐拉伸和变形，分散了应力。此时产生的缺口很规则，不尖锐，应力不会过度集中，胶带也就不容易从这里裂开。
其次是加载速率的影响。加载速率，即单位时间内加载应力的增量，对于胶带这样的粘弹性材料，当用笔迅速戳胶带时，加载速率很高。高加载速率使材料来不及发生粘性流动或塑性变形，表现出更脆的特性，更容易发生断裂。当慢慢戳一个洞时，加载速率较低。材料有足够的时间发生粘性流动和塑性变形，能够吸收更多的能量，从而避免了断裂。
最后，从能量释放率与裂纹扩展的角度来看，当外力使裂纹尖端的能量释放率超过材料的临界值时，裂纹就会扩展。快速戳胶带时，瞬时施加的高能量使裂纹尖端的能量释放率大大增加，超过了胶带材料的临界值，导致裂纹迅速扩展。慢慢戳洞时，能量的施加是逐步的，裂纹尖端的能量释放率低于材料的临界值，裂纹不会扩展。
从整个过程来看，笔迅速戳胶带时，形成的尖锐缺口导致应力集中，高加载速率使材料来不及变形，裂纹尖端的能量释放率超过临界值，胶带因此容易裂开。这个现象在生产生活中有重要的启示。例如：工人在切割玻璃时，会先用玻璃刀在表面划出一道细微的裂痕，然后施加力，使玻璃沿着裂痕断开。这与我们用笔迅速戳胶带的原理类似，都是通过制造应力集中点来引导断裂，固定能量释放方向。
参考资料:
刘鸿文. 材料力学I（第6版）[M]. 北京：高等教育出版社，2017: 394. ISBN: 7040479753.宫本博著；杨秉宪，王幼复编译. 弹塑性断裂力学[M]. 太原：山西人民出版社，出版年份（未提供）: 306. ISBN: 10653837.
这次不歪楼了。
终于有一个我专业上的提问，却不知如何回答。
要怪就只能怪我的系主任了。
如果这是他的作业题，我只须写上四个字
应力集中
他老人家会满意地打个红勾。
如果我想更深入地解释一下，查了各种参考书籍，非常专业地洋洋洒洒写上三页纸，他老人家会把我拎过去，让我逐条解释并提问，一旦我回答不上来，他就会冷冷地哼一声，写这么多，显得你很能是吧……
以我浅薄的专业素养，想把这个问题解释地非常清楚且通俗易懂，估计做不到。
那就只能老规矩，打比方了。
首先，先简单解释一下什么是应力集中。
应力集中就要先说应力。
所谓应力，就是材料在受力，温度变化，湿度变化产生形变，材料内部抵抗这种形变而产生的一种力，而且科学是最讲究公平的，为了公平公正地衡量对比这种力，采用了单位面积上的力这个定义，这个力就是应力。
应力本来是可以传递，扩散，消除的，但是由于种种原因，应力非但无法消除，反而像字面意义上在局部表现为聚集在一起，远远超过周围的应力，甚至超过材料本身的承受能力，造成材料破坏的现象，就是应力集中。
我很喜欢把科学原理非科学化，甚至拟人化。
为什么会有应力集中，套用现在最热门的解释，一个男性被打一下，骂一下很快就没事了，为什么现在竟然动不动就要刀人呢？
因为种种原因，男性这个群体材料中个别个体压力无法释放，就会爆发出远超过普通群体的破坏力，而且更要命的是，这种破坏会传递，会扩散，当然这种扩散不是盲目的，而是有科学规律的，沸羊羊肯定不在预定方向上。
这就是应力集中的科学原理。
针对材料，直角，锐角，台阶，瑕疵，空腔所有不均一，不一致的地方都容易产生应力集中。
就像歌里唱的那样，你和别人不一样。
日常生活中，应力集中产生的破坏效应经常遇到，比如钢化玻璃忽然爆裂，实木家具忽然裂开（湿度），玻璃杯遇热遇冷炸裂（温度）。
那么为什么用笔迅速戳一下，胶带就会裂开呢？
当用笔迅速戳胶带的时候，会产生非常复杂的作用力，由于复杂的原因，所以产生了应力集中。一句话，来不及。
【这一段正经解释太枯燥无聊了】
就是在胶带上很小的一个点，会产生远超过胶带材质所能承受的应力，胶带开始破孔。
为什么会断裂，哎呀，这又是十句八句说不清的。
不过呢，劈木材你见过吧。有时候用斧子或者柴刀顺着纹路轻轻一磕，木材自己就麻溜溜欢畅地自己裂开了。这也是应力集中。但是你垂直木纹方向来砍，手破皮了都砍不断。
而且木材和胶带在本质上没有任何不同，都是高分子材料，都是不均一的，都有方向性，应力集中造成的破坏总是沿着特定方向，特定位置扩散。
有些科学原理真的太复杂，所以一般人没必要过于深究，触类旁通即可。
胶带通常都是用双向拉伸聚丙烯薄膜制成（BOPP），通过特殊的工艺双向定向拉伸，获得较高的性能和质量，同时也造成特定方向留下了薄弱环节。胶带横向上耐拉耐撕，纵向上差一些，所以应力集中爆发，只能出头檩子先烂，稍薄弱的纵向先断。
当然，有些厂家的胶带主打一个随心所欲，横着断，竖着断，斜着断，开花断，不是科学不起效，而是质量太糟糕。
至于慢慢戳一个洞则没这个效果，这是肯定的，你好好安抚，软刀子捅，温水煮青蛙自然不会爆发了。
其实与这个原理一样的科学小实验，牙签，铁钉扎气球，快速一戳气球就炸了，但是你趁气球不注意，慢慢捅进去，气球跟没事人一样。
这还是叫应力集中。
………………………………………………
稍稍进阶版，这个我实在想不出特别合适的生活例子了。
高分子材料的性能表现离不开三要素，温度，力，时间。
而且三者之间相互等效羁绊。
高分子我们常见比如塑料，比如橡胶。
看上去相差很大，只是因为在我们正常使用温度下不一样。
在特定的温度下，塑料变橡胶，橡胶也能变塑料。
熬麦芽糖吹糖人见过吧。
麦芽糖块常温下坚硬且脆，随着稳度的升高，逐渐变得有黏弹性，到了最后，和橡胶差不多一样。
温度可以改变高分子的性能。
力和时间一样可以。
我们系主任有句顺口溜，应力速度快，橡胶变冰块。【原话不是这样，但是那样又要解释半天了，我喜欢把复杂问题简单化处理】
什么意思呢，就是应力速度（等效手速）对高分子材料性能影响也很大。
在高应力速度下，软的变硬了，硬的变脆了。
这一点经常学初中物理的筒子应该能明白，温度是分子热运动的外在表现，温度越高，分子运动越剧烈。
当应力变化足够快的时候，分子根本来不及运动，等效就是局部极速降温冻住了……
胶带薄膜也是一样的，虽然看上去挺硬（刚性），但是它也有相应的黏弹性（类似与橡胶）即韧性，当快速扎向胶带时，高应变会使得它变得更脆，更容易破坏。哪怕有点弹性也不行，这是手和笔一起说的。就连橡胶这么富有弹性的材料遇到这种情况都会变成玻璃一样碎成粉末。
