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动物的韧性:探索弹性与断裂的原因

时间:2023-11-02 理论教育 版权反馈
【摘要】:然而,应力集中的问题似乎更有趣,因为大多数动物的软组织几乎都对这种工程灾难的主因免疫。我认为,这其中的原因在于,橡胶和动物膜的弹性和断裂功差别很大。目前还没有针对生物软组织断裂功的可用数据,但在大多数情况下,应力-应变曲线的形状尚属众所周知,而且应变这个因素似乎对断裂的概率有很大影响。事实上,动物材料中这类应力-应变曲线的实现,代表了更高级生命形态进化和存续的一个必备条件。

动物的韧性:探索弹性与断裂的原因

动物经常骨折,有时会撕裂肌腱,骨骼和肌腱都不具备我们刚才探讨的那种弹性;但值得注意的是,软组织的机械性断裂似乎很罕见。这有几个原因。这么软的皮肤和肌体有时能规避挠度变形冲击的影响,并躲过擦碰。然而,应力集中的问题似乎更有趣,因为大多数动物的软组织几乎都对这种工程灾难的主因免疫。基于这个缘由,对安全系数的需求大大减少,因此结构的效率——与自重成正比的结构负载——可能相当高。

尽管大部分软组织都保持大致恒定的体积(它们的真实泊松比似乎约为0.5),但大部分膜选择以平面应变的方式变形,即它们被拉伸时不会变薄,故而它们展现出来的表观泊松比约为1.0,就像我的肚子。这与约为2.0的E1/E2值相符,这个值是极有可能的。但是,为什么膜在发生应变时不会变薄?具体可参见E.A.Evans,Proc.Int.Conf on Comparative Physiology(1974;North Holland Publishing Company)。

这种免疫不仅是因为材质柔软和弹性模量低。橡胶的确是软的,它的弹性模量也相当低,但我们很多人都记得小时候把吹得鼓鼓的橡皮气球带到花园里,它一碰到玫瑰丛的刺就砰的一声爆炸了。那时年纪还小的我们确实意识不到,由于应力集中和橡胶的低断裂功,被拉伸橡胶上的一个小孔会迅速扩展成一条裂缝;假使我们意识到了,不知伤心的眼泪是否会大大减少。然而,拿蝙蝠的翼膜来说,即便在飞行过程中被拉伸得很厉害,它似乎也不会出现这样的情况。即便翼被刺穿了,破洞也几乎不会扩展,伤口会很快复原,在这个过程中蝙蝠可能不会停止振翅。

我认为,这其中的原因在于,橡胶和动物膜的弹性和断裂功差别很大。目前还没有针对生物软组织断裂功的可用数据,但在大多数情况下,应力-应变曲线的形状尚属众所周知,而且应变这个因素似乎对断裂的概率有很大影响。(www.xing528.com)

鸡蛋的壳膜似乎提供了一个有意思的例子,它就在早餐时你煮的鸡蛋的壳里。它是少数几种遵循胡克定律生物膜之一,在此情况下,其断裂应变约为24%。用一枚生鸡蛋做个简单但稍显凌乱的实验,结果表明鸡蛋膜很容易被撕裂。当然,这就是它们存在的意义,因为雏鸡的第一要务便是破壳而出,它要用喙啄穿壳膜。顺便说一下,鸡蛋壳本身呈圆顶状,很难从外部破坏,却易于从内部破坏。

鸡蛋膜相当独特,它们的存在是为了在达成保存蛋内水分和防止感染的目标后被破坏;如我们所说,它们之所以拥有这种特殊的弹性,很可能就是出于这个原因。然而,绝大多数软组织具有与鸡蛋膜完全不同的弹性,非常类似于图8-5所示;就其功能而论,这些组织中的大部分都需要有韧性。虽然科学原因尚未完全明晰,但务实地看,具备这种类型的应力-应变曲线的材料极难被撕裂。原因之一或许是,这样一条曲线存储的应变能——可用于扩展断裂(第5章)——是最低的。[5]

如我们所说,大部分动物组织的弹性表现都跟图8-5所示差不多。我必须承认,当我第一次领悟到这一点时,它似乎向我揭示了大自然反常或古怪的一面:大自然这个可怜的家伙,由于没受到工程教育,不知道其实还有更好的办法。当我就这个问题涉及的初等数学做了大量相当蹩脚的研究后,我幡然醒悟,如果需要一个在真正高的应变下可靠运作的结构体系,这是唯一一种用得上的弹性。事实上,动物材料中这类应力-应变曲线的实现,代表了更高级生命形态进化和存续的一个必备条件。生物学家,请注意这一点。

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