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如果把一個完美的球體放在平坦的地面上,它與地面的接觸面積是接近于零嗎?

黃文隆2年前14瀏覽0評論

數學上,球體與平面相切,只有一個點。不過,真如題主所問,實際中球體與面接觸的面積不等于零,具體是多大,主要看兩者的材料屬性。下面,我以算例的形式,來解答這個問題。

1、基本原理

實際生活中,任何物體都是變形體,即物體在外載作用下都會發生或大或小的變形。完全不發生變形的稱之為剛體,不過這個世界上絕對剛體不存在。

對于材料的變形能力,力學上有一個物理量來衡量——彈性模量。這個物理量基本上就可以反應出材料的“軟硬”。彈性模量越大,材料越不容易變形。

2、算例分析

以鐵球接觸鐵板為例,鐵這種材料相對來說是比較“硬”的,其彈性模量200GPa。我們來看下在自重的作用下,接觸面積有多大?鐵球直徑2m。

上圖是位移結果,從位移上來看,鐵球的變形幾乎為零,鐵板在接觸處有變形。放大后下圖。對于兩者來說,變形都非常小。

通過目測,接觸大約是鐵球上網格的一半,即1.3e-2m,面積為5.3e-4平米。這個面積大約是2個手指那么粗。顯然,這個面積不能近似為零。

3、總結

物體受力會發生變形,變形量的大小除了與外載有關,還與材料的屬性有關。彈性模量越大,變形量就越小,兩者接觸的面積也就越小。通過鐵球的算例,我們發現半徑1m的鐵球靠重力放置于鐵板上,其接觸面積越是2個手指那么大。

如果鐵球更大,重量更重,那么接觸面積也會更大。此外,如果鐵球換成其他“軟”的材料,鐵板不變,那么接觸面積也會更大。如下圖,球彈性模量取2GPa,是鐵球的1/100。對比上下兩圖,顯然下圖接觸面積更大了。

雖然,這個算例在仿真里面算簡單的,但是由于非線性接觸,非常容易出現不收斂的情況,這時候就得不斷地修改模型,直至能夠計算處結果。所以,這么一篇小回答,花了我2個小時。