小(xiǎo)英筆(bǐ)记丨什么是杨氏模量？

更新(xīn)时间：2024-08-15

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想象一下，你夹起的面条轻轻一拉就断成了两截。此时，它不仅满足了你的味蕾，更悄无声息地揭示了一门奇妙的科(kē)學(xué)。

是什么让面条能(néng)够如此轻易被拉断，而另一些材料却如钢铁般坚韧？答(dá)案就在于杨氏模量。

什么是杨氏模量？

杨氏模量由英國(guó)科(kē)學(xué)家托马斯·杨（Thomas Young）在1807年提出。他(tā)不仅是一位物(wù)理(lǐ)學(xué)家，还是一位多(duō)才多(duō)艺的科(kē)學(xué)家，对医(yī)學(xué)、语言學(xué)等领域也有(yǒu)深入研究。杨氏模量的提出，极大地推动了材料科(kē)學(xué)的发展。

杨氏模量（Young's Modulus）是表征固體(tǐ)材料在受力时抵抗变形能(néng)力的一个重要参数，也是弹性模量中(zhōng)最常见的一种。它反映了材料在弹性变形阶段的刚度，是材料力學(xué)性能(néng)的重要指标。

除了杨氏模量，弹性模量还包括剪切模量和體(tǐ)积模量等。不同的材料具(jù)有(yǒu)截然不同的弹性模量值。一般来说，陶瓷具(jù)有(yǒu)较高的模量值，金属具(jù)有(yǒu)较低的值，而聚合物(wù)的模量值则更低。

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杨氏模量為(wèi)何重要？

杨氏模量不仅仅是一个力學(xué)参数，也是选定机械零件材料的依据之一，是工(gōng)程技(jì )术设计中(zhōng)常用(yòng)的参数，它在实际应用(yòng)中(zhōng)起到了至关重要的作(zuò)用(yòng)。

1. 结构设计：杨氏模量可(kě)以用(yòng)于评估构件的强度和刚度，从而指导结构设计，选择合适的材料以确保结构的稳定性和刚性。

例如在建筑工(gōng)程中(zhōng)，设计师需要了解建筑材料的杨氏模量，以确保建筑物(wù)在风载和地震作(zuò)用(yòng)下的安(ān)全性。钢筋混凝土的高杨氏模量保证了建筑的稳固性和耐久性。

混凝土压缩测试

2. 机械制造：在机械制造领域，了解材料的杨氏模量有(yǒu)助于选择合适的材料，以实现部件的最佳性能(néng)。

例如在汽車(chē)工(gōng)程中(zhōng)，悬挂系统的设计需要考虑材料的刚度和弹性变形能(néng)力。杨氏模量可(kě)以帮助工(gōng)程师选择合适的材料来制造悬挂系统的弹簧和减震器，以确保悬挂系统在行驶过程中(zhōng)具(jù)有(yǒu)足够的刚度，同时又(yòu)能(néng)够吸收道路不平的冲击。

3. 航空航天：在航空航天领域，工(gōng)程师们依靠杨氏模量来选择合适的材料，以保证飞机的轻便和坚固。

碳纤维增强复合材料因其高比强度和比模量的优点，成為(wèi)现代飞机结构材料的优选。金属铍（Be）质(zhì)量轻、刚度大，其杨氏模量较钢高出50%，在卫星和其他(tā)航天结构中(zhōng)得到了广泛应用(yòng)。

如何测量杨氏模量？

测量杨氏模量通常需要通过以下几种方法：静态测量法、动态测量法（共振测量法）、波速测量法及其他(tā)测量方法。其中(zhōng)常见的静态测量法包括：拉伸法和梁弯曲法。

1. 拉伸测量法

样品制备：制备一个均匀的、具(jù)有(yǒu)已知横截面积的试样；
施加拉力：使用(yòng)拉伸试验机对试样施加拉力，并逐步增加负载；
测量应变和应力：在施加拉力的过程中(zhōng)，使用(yòng)测量装(zhuāng)置记录试样的伸長(cháng)（应变）和所施加的力（应力）；
计算杨氏模量：由胡克定律得，在弹性形变范围内，物(wù)體(tǐ)所受力的应力 F/S 与应变成正比，即：
E=(∆F/S)/(∆L/L)
其中(zhōng) E 是杨氏模量，∆F是力增量值，S 是试样的原始截面积，∆L 是对力增量值∆F的夹持间距或标距内伸長(cháng)增量，L 是原始夹持间距或引伸计标距。

2. 梁弯曲测量法

样品制备：准备一个具(jù)有(yǒu)已知尺寸和形状的梁；
施加弯矩：在梁的中(zhōng)间施加一个已知的力，使梁发生弯曲；
测量挠度：记录梁在弯矩作(zuò)用(yòng)下的挠度；
计算杨氏模量：使用(yòng)如下弯曲公(gōng)式
E =∆FL²/4wh³∆δ
其中(zhōng) L 是梁的跨度，∆F 是弹性段内施加的载荷增量，w 和 h 分(fēn)别是梁的宽度和高度，∆δ 是与载荷增量对应的挠度增量。

杨氏模量无处不在，也默默地守护着我们的世界。了解并掌握杨氏模量，不仅能(néng)帮助我们选择和设计更好的材料，也能(néng)让我们理(lǐ)解身边那些看似平凡的物(wù)品背后，隐藏着怎样的科(kē)學(xué)奥秘。

本期小(xiǎo)英筆(bǐ)记就到这里

什么是杨氏模量

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