糖尿病康复,内容丰富有趣,生活中的好帮手!
糖尿病康复 > 在你的专业里 有什么基础知识是和普通人的认识不相符的?

在你的专业里 有什么基础知识是和普通人的认识不相符的?

时间:2020-02-28 20:14:55

相关推荐

在你的专业里 有什么基础知识是和普通人的认识不相符的?

有人提到911撞世贸大楼,我也说一个:【钢铁比木材更不耐火】,当然前提是火灾前钢材和木材可以承受同样荷载。

原因有四:

一 450-500摄氏度的时候,钢铁基本丧失负载能力、失稳。木头只要还没烧光,在这个温度还真能挺一下。

二 钢铁的比热容大概是0.5×10^3J/(kg·℃) ,干木头的比热容是2×10^3J/(kg·℃) ,即钢铁升温速度是木头的4倍。而且同样的荷载,用的木头比钢材要多。如果考虑到木材一般含水,还要考虑水的比热容和蒸发热。木材的升温就更慢了。

三 钢铁的导热率超好,是木材的几十倍甚至上百倍,在同样的火焰下肯定比木材升温快。

四 注意前面的叙述,承受荷载的钢铁达到500摄氏度直接就挂了,不用燃烧。木材必须烧掉才能丧失负载能力。而燃烧是要靠氧气的,外层木材有效地为内层木材隔绝了氧气,所以木材必须一层层烧掉,不会一下子就烧跨。钢铁只要被火焰燎几十秒就挂了。

这就是为什么你能看到消防员在带火的木屋架下面救人,却没人敢在赤红的钢梁下奔跑的缘故。911撞大楼一撞就倒,原因不是钢铁被点燃,而是航空燃油把钢结构烧的失去了强度,所以被烧软的中层就像面条一样瘫软下来,然后上层带着动能撞到下半部分上,一举摧垮了从未考虑动荷载的钢结构大楼。你可以看这里的第二张图片:【图集】911美国世贸大厦是这么被撞毁的

这张图直观地告诉我们,只要直接被火焰烧灼,即便很小的火灾也足够让钢梁变成面条。

有许多论文讨论过木结构抗火设计,我贴一下:

重型暴露木结构防火设计概述

在美国,用木材来建造安全防火的建筑已有一个多世纪的成功历史。暴露在火焰中的木材将自然地形成一个阻燃碳化层,保护内部未燃烧的部分。在周围温度不断上升的过程中,木材的机械性能还表现出若干优点。当被加热时木材构件不会延展,能够维持相当的刚度。其他类型的结构材料虽然被描述为加热时不易燃烧,但它们在高温下的变形可能破坏其他的结构元素而导致建筑的倒塌。例如钢材在高温下刚度将降低,这可能会导致钢柱和钢梁的破坏。而木材构件因为内部未碳化的部分将维持其强度和刚度,建筑使用者可以获得一定的逃离时间,消防员和使用者可以与火灾搏斗而不必冒结构坍塌的危险。

在1800年,许多大型磨坊建筑和它们内部的设备被大火毁坏,给保险公司带来了巨大损失。为了减少类似的负担,人们发展出了重型木构建造方法,利用大型木构件来减少尖锐的凸出边缘以及建设过程产生的可能让高温空气通过的缝隙。当暴露在火焰中时,木材表面将形成碳化层,这一碳化层可以防止构件内部受高温侵袭。如果没有外部的燃烧元素如氧气、油料等的持续补充,碳化层就能使火焰自然熄灭。

【论文】重型木结构抗火设计方法介绍

但为什么我们的常识是铁比木抗火呢?

因为我们日常生活使用的火焰很小,总热量很低。在日常尺度下,钢铁热导率高反而成了抗火的优点——火焰烧灼面积小于钢铁工具总面积,可以迅速把热量传导到其他部分散热。

其次是钢铁的燃点的确比木材要高。在一般的火焰烧灼下,如果自己不烧起来,的确很难烧坏。而木材自己可能成为主要热量的来源,被炉灶飘出的很小的火苗引发大火。(现代房屋内没有旧式炉灶,用火的安全度要高的多,不再那么担心取暖和做饭的用火安全)

第三是我们日常使用的钢铁工具承受荷载较小,远不能接近钢铁的极限受力,比如铁锅只需要承受几斤菜肴的重力即可。所以即便烧到赤红,一般也能满足我们的需求。

这三个原因综合作用,制造了“钢铁比木头耐火”的“常识”。而建筑的体量要比我们日常使用的工具大1-2个数量级,这10-100倍的差距就会导致“常识”被颠覆。但只要你理解了其中的物理原理,【木头比钢材更抗火灾】的事实就会像【钢铁比木头更适合造大船】一样直观。

其实除了火焰之外,大多数物理现象随着尺度的增加,都会出现量变——质变的跃升,不能简单地用小尺度模型来套用。最直观的原因就是体积随尺度增加以三次方增长,表面积只以两次方增长,所以会出现变化。我前几天在一颗直径 30 公里的中子星撞上大犬座 VY 那么大的岩质星球会发生什么?这个问题里提过这个问题:

我们日常生活中考虑物理问题,默认是忽略万有引力的,因为万有引力常数实在太小。但是,万有引力这个东西,一方面和距离的平方成反比,另一方面和质量成正比。质量=密度x体积。体积是尺度的三次方,如果物体的密度不变的话,一个物理体系的尺度增加10倍,其中各个物体的体积就是原来的1000倍,距离的平方变成原来的100倍——1000/100=10,即万有引力相对其他效应增加10倍。尺度越大,万有引力的效应越明显,即便对于非常稀薄的低密度物质也一样。

所以,两块石头之间不会互相吸引绕行,地球和月亮就被引力锁在一起。普通石头可以奇形怪状,直径到了上千公里就必定是球形——在引力作用下收缩在一起。等到尺度的数量级进一步增加,这堆石头(气体也一样)收缩成一个紧密小球的趋势将更强烈,会变成白矮星中子星乃至导致时空断裂的黑洞。你设想中的像土星轨道那样大的“岩石行星”必定早就收缩为一个黑洞了。

为了避免模型和具体工程的类似差异,流体力学里有一个雷诺数的概念。其他学科应该也有类似的参数。具体到热力学方面,我不太懂,就不乱说了。

补充1:

木制摩天大楼的崛起

在受力要求不严苛的时候,还是有木制高楼的

补充2:

评论里有人问为何不用木头和大理石替代钢材,这个问题问的很好。我在:

在同济大学就读是怎样一番体验? - 马前卒的回答

这个问题里谈过工程师的职责:

最后呢,我建议所有非工科的同学,花上几个月时间去了解一门实用工程技术,看一个工程实例。土木工程也行,机械工程也行,化工电子都可以。因为工程和科学的逻辑不太一样。

我过去当设计员的时候,曾经向一个文科同学解释我的工作。他问我:工程师是不是在上学和实习的时候学了很多种技术,然后根据客户的需求,提供某一种。

我回答说:工程师的确在上学的时候学了很多技术,但更多的是学到了一个目录,很多技术细节我们也要查。我们手边有很多技术手册和国家规范,还有设计范例。我们也是一边工作一边学习的。

这个同学很奇怪,说:既然你们大部分问题也要边查边做,为什么还要有专门的工程师呢?

我告诉他,工程师的用处不在于背下许多技术数据,虽然我们的确要背一些数据。但是这些真正要死记硬背的数据任何人花几个星期都能背下来。我们主要的工作是妥协,在各个看起来指标之间妥协。有的地方你要耐久,就没法有非常突出的效率,要高效率,可能就没法控制产品的稳定性,要稳定,可能就要配很贵的技术工人。什么都要,那这个工程你肯定造不起。所以,我们就是在各个使用性能之间妥协,在不同系统的技术指标之间妥协,在成本和所有的功能之间妥协。在人和机器之间妥协。我们肯定找不到所有指标都理想化的方案,但我们试图提供相对最适合你的方案。

这就是工程和科学的区别。科学家研究了许多东西,但实际负责建造和维护社会的,是工程师和具体的管理人员。各个行业之间隔行如隔山,但在妥协精神这一点上,所有的技术人员都是一样的。我希望各位去了解一门工程技术,不是让大家去兼职当工程师,就是让大家体会这个工业社会必不可少的妥协精神。讨论社会问题的时候不会抓住事情的一个方面走极端。

即我们这个行当的核心不是知道什么防火,什么耐压。而是在各种材料、各种施工方案之间找平衡,尽可能满足大多数需求——但绝不是满足所有需求;规避尽可能多的风险——但绝不是消灭所有风险。大理石和木头在特定条件下或许比钢材耐火,但其他工作指标差的太远,所以现在建筑主要的受力骨架一般还是靠钢材或者钢筋混凝土。我在东华大学演讲:房子培育爱情里面指出过这个问题,欢迎大家去看,去转载。

补充3:

就着这几天的月食说一个小事情,日食的频率远高于月食。只是因为日食覆盖地区窄,月食一旦发生就能让半个地球看见,所以月食貌似比日食常见。

恶搞补充4:

评论里那些因为911配图链接里的文字大发感慨的朋友,我给你们介绍一个更神奇的链接:

试从中医角度解读911事件是骗局

相关话题:

如果集合全世界的力量,造一座山,这座山能造多高? - 马前卒的回答

如何优雅地破坏钢筋? - 马前卒的回答

同为流体,为什么海水不会像空气产生热带风暴一样在大洋里产生“热带水暴”? - 马前卒的回答

如果觉得《在你的专业里 有什么基础知识是和普通人的认识不相符的?》对你有帮助,请点赞、收藏,并留下你的观点哦!

本内容不代表本网观点和政治立场,如有侵犯你的权益请联系我们处理。
网友评论
网友评论仅供其表达个人看法,并不表明网站立场。