Ilmanpaine vastaa 10 tonnin painon (noin 10 keskimääräistä autoa) neliömetriä kohden. Näin ollen ei ole yllättävää, että nuo metallisäiliöt romahtavat.

Kommenteissasi korostat kuitenkin, että pumppaat pyöränrenkaat 40 psi: iin (noin 3 atm), mutta silti ne eivät räjähdä. Luulen, että tämä pääsee hämmennyksenne ytimeen.

Säiliön rypistymiseen liittyy metallin jonkin verran merkityksetön taivutus . Energia, jota tarvitaan metallin (joka muuten on luonnollisesti melko pehmeää), ei ole niin suuri. Sen (tai pyöränrenkaiden) repimiseen tarvittava energia vaatii huomattavasti enemmän energiaa. Tämä johtuu siitä, että ensimmäiseen tapaukseen liittyy yksinkertaisesti atomimittakaavan dislokaatioiden siirtäminen toiseen, kun taas jälkimmäiseen liittyy atomisidosten rikkominen. Kaksi hyvin erilaista prosessia.

Tämän asian havainnollistamiseksi on helppo pakata tyhjä koksi. Mutta luuletko voivasi repiä reiän tölkkiin?

Jos käännät tilanteen niin, että säiliö sisälsi 1 atm paineita ja ulkopuoli oli tyhjiö, se ei räjähtänyt.

Ensinnäkin, kuten mainittiin, ilmanpaine voi aiheuttaa erittäin suuria kuormia integroituna merkittäville alueille. Esimerkiksi vain 2 psi: n ylipaine riittää tuhoamaan monet talot ja voi tappaa ihmisiä. Se on noin 13% ilmanpaineesta.

Toiseksi on tärkeä mittakaavan kysymys. Annat esimerkin polkupyörän renkaasta: maantiepyörän rengas on usein paineistettu 8 baariin tai enemmän: jos auton rengas on täytetty 8 baariin ... niin älä. Syynä tähän on se, että renkaan rakenteen jännitys menee kuten $ \ mathrm {pressure} \ times \ mathrm {radius} $: joten suuremmilla renkailla on lineaarisesti enemmän jännityksiä samalle paineelle, ja siksi niiden on oltava lineaarisesti paksummat seinät kestävät saman paineen.

Ja mikä tärkeintä, rakenteiden käyttäytymisessä (toisin kuin materiaalit) puristuksen ja jännityksen välillä on valtava ero. Tämä on todella valtava tekniikan alue, mutta jopa fyysikot voivat nähdä, miksi se on totta. Harkitse esimerkiksi terässauvaa, jonka halkaisija on 2 mm ja metri pitkä: voit ripustaa helposti tällaiseen tankoon, koska se on erittäin voimakas jännityksessä. Mutta jos yrität seistä siinä, se romahtaisi välittömästi. Tämä johtuu siitä, että kun tanko on jännitteessä, se on vakaassa tasapainossa - jos se taipuu vähän, sitten jännitys vetää sen suoraan - kun taas puristuksessa tasapaino on paljon vähemmän vakaa - jos se taipuu hieman, niin on valtava vipu, joka saa sen taipumaan eteenpäin ja voi äkillisesti romahtaa. Tämän yksityiskohdat ovat monimutkaisia, ja insinöörit viettävät paljon aikaa suunnitellessaan rakenteet, jotka ovat vahvoja puristuksessa ja taipumisessa ja mitkä ovat niiden jännitykset, mutta periaatteet ovat helposti ymmärrettävissä.

Joten esimerkiksi renkaat ovat melkein puhtaita jännitysrakenteita: rengas ei tue edes pientä positiivista painetta sen ulkopuolella.Puristuksessa toimivien rakenteiden, kuten sukellusveneen rungon, suunnittelu on todella vaikeaa, ja ne ovat alttiita katastrofaaliselle romahdukselle, kun niiden suunnittelulujuus ylitetään.Vastaavasti junavaunu on suunniteltu tukemaan (pientä) sisäistä painetta, joka asettaa sen rakenteen jännittymään, mutta puristuksessa se romahtaa välittömästi.

Säiliö on muotoiltu painetta varten sisäpuolelta, ei ulkopuolelta.Säiliön runko on kupera.Sisäpuolen paine saa rungon ottamaan muodon, joka maksimoi tilavuuden pintaa kohti, mikä johtaa pallomaisiin tai sylinterimäisiin muotoihin.Tämä ei vaadi paljon jäykkyyttä: ilmapallot ovat samanlaisia.Sen sijaan ulkopuolinen paine maksimoi pinnan tilavuutta kohti.Mikä tarkoittaa periaatteessa säiliön rypistämistä: ei ole vakaa muoto oletettavissa.Voit murskata ohuen muovipullon imemällä sitä (ja se voi jopa rikkoutua prosessissa).Mutta onnea räjähtää se puhaltamalla siihen.

Tyhjiön vetäminen säiliöön asettaa säiliön seinämät puristuskuormalle. Rakenteen kyky ottaa puristuskuorma riippuu sen vakaudesta. Säiliöautossa, jos jätämme huomiotta päätykannet, puristuskuormat vaikuttavat kahteen suuntaan - pituussuunnassa ja säteen suuntaisesti. Sylinterimäisen säiliön puristus pituussuunnassa on erittäin vakaa - kaikki vääntymisvoimat jakautuvat suurelle määrälle materiaalia. Se ei kuitenkaan ole läheskään yhtä vakaa säteittäisessä puristuksessa, koska siinä tilassa säiliön seinä toimii yksinkertaisesti tasaisena levynä ja taipuu helposti joko sisään- tai ulospäin, koska sille ei ole mitään vastustaa. Heti kun tällainen taipuminen alkaa, se muuttaa säiliön muotoa; ei enää sylinteri, voimat tasapainottuvat ja romahdus etenee.

Jos säiliön seinä on tarpeeksi paksu, se pysyy vakaana täydessä tyhjiössä. Jos säiliön seinä on liian ohut, mahdolliset jännityksen epätasaisuudet (ehkä vain siitä, miten se on tuettu pyöriinsä) voivat olla riittäviä rypistymisen aloittamiseksi. Vastaavasti, jos säiliön seinässä on vikoja tai kolhuja.

Jos katsot säiliötä sen pyöreältä puolelta, saatat nähdä, kuinka sen on toimittava kuin kaari tukemaan ilmakehän paineita.Kuvitellaan, että leikkaamme tämän sylinterin 1 metrin pituisen osan ja leikkaamme sen alaosan saadaksesi mukavan pyöreän kaaren ja tarkistamaan, miten se toimii. Se on halkaisijaltaan noin 3 metriä, joten sen on tuettava 3 x 1 metrin x 10 tonnin = 30 tonnin kuorma, joka haluaa kääntää kaaren tasaiseksi taivuttamalla kahta sivuseinää ja työntämällä ne sivusuunnassa.
Tätä taivutusjännitystä on vastustettava säiliön ohuella seinällä (6-8 millimetriä), 4 millimetriä ulos puolet jännityksessä ja 4 millimetriä puristuksessa.Tein nopean arvion ja se kiehuu 22,5 tonnin nopeuteen, joka on paljon suurempi kuin 3 tonnin metri (säiliön seinämän karkea sigma x I / H).

On kaksi kysymystä: "Miksi tyhjiö murskaa terässäiliön?" ja miksi tankki romahtaa? "

Sitruuna vastasi ensimmäiseen kysymykseen täydellisesti - kerro 1 atm paine säiliön pinta-alalla ja saat voiman, joka mursi sen.

Toinen vastaus ei ole niin yksinkertainen. Säiliön seinät on suunniteltu muuntamaan painovoimat (kohtisuorassa pintaan nähden) tasaiseksi jännitykseksi / puristukseksi (pinnan suuntaisesti).

Se on teoria.

Todellisuudessa muoto ei ole täydellinen, materiaali ei ole homogeenista eikä ilmakehän paineet ole ainoat mukana olevat voimat. Kun materiaali on jännitteessä, suurimmat voimat yleensä ennakoivat epävakautta. Puristuksessa suuret voimat vahvistavat epävakautta.

Kun säiliö on täytetty, jännitys ja taivutusmoduuli ennakoivat muodon satunnaisen muodonmuutoksen (vain säde muuttuu). Tyhjennettynä vain taivutusmoduuli ennakoi muodonmuutoksen. Matalassa tyhjiössä tämä moduuli on riittävän korkea järjestelmän vakauttamiseksi, mutta se on melko helppo voittaa. Sitten pieni tasapainotilan vääristymä saa kaiken kertyneen energian vapautumaan.

Riippuu seinämän paksuudesta, esimerkiksi voit romahtaa suulla imevän muovipullon, mutta et lasipullolla.Terässäiliön seinämän vähimmäispaksuuden laskemiseksi on Asme-koodi.Ulkoisen paineen koodi eroaa sisäisestä paineesta, koska astian geometria on erittäin tärkeä.Tasainen ja kupera geometria pyrkii romahtamaan enemmän kuin kovera tai pallomainen.