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美国二战油轮直接裂开两半!太吓人,你想不到的那些断裂

佚名 科学 2020年12月09日

美国二战油轮直接裂开两半!太吓人,你想不到的那些断裂



引入:停靠在码头的二战经典油轮直接从中间裂成两半,一次维修就花了美军约200万美元。人类的第一架喷气式飞机“彗星”,在载人升空后却莫名爆炸解体,导致机上乘客无人生还。早期的Iphone充电接口总是莫名断裂;德国某城镇超过270座建筑直接从中裂开、大桥出现惊人裂缝……


以上场景,听起来是不是像电影中出现的末日场景?但,这些可都是真实出现过的事件。


在这些事件的背后,一门崭新的科学得以研究与发展——断裂力学。


《怒海救援》原型,沉没的经典油轮

所谓 “兵马未动,粮草先行” ,运油船不仅可以及时补给燃料,还可以运输其他诸如水,美酒等液体。T2运油轮, 作为运输初期和二战期间最著名的运油船,从上世纪40年代初开始在美国海军服役,一次运输量可超过10万桶约莫162升的液体,可谓战功显赫。


然而从诞生之初,除去在战争中被击沉的情况,T2型油轮前前后后仍有十数次沉船。其中最著名的便是1943年沉没的SS Schenectady(斯克内克塔迪号T2油轮)和1952年沉没的SS Pendleton(彭德尔顿号T2油轮),后者更是被迪士尼改编成了电影《怒海救援》。


它们之所以被广为流传,是因为两次事故惊人的相似:在没有任何预兆的情况下,巨大的船体直接从中间裂开两半。




真实记录的SS Schenectady沉没




《怒海救援》电影海报


两艘船为什么直接断裂?当时的人们都是一无所知,无论是侥幸逃生的船员,对船舶无比熟悉的设计工程师还是进行深入研究的科学家,都未能够找到这两次极其相似的大断裂事件的原因。


难道是所谓的巧合,又或者是什么邪恶力量作祟吗?


如果勉强说1952年的彭德尔顿号沉没事件是因为一场风暴(但这个理论遭到了很多学者的反对,认为风暴所造成的外力不足以让整艘船从中间断裂),那么斯克内克塔迪号的沉没事件就有点“无锅可甩”了:


1943年1月16日,从海上成功试航回来后,斯克内克塔迪号在波特兰市的天鹅岛码头停靠。紧接着,在毫无预警的情况下,方圆至少一英里内的工作人员听到了船体断裂的声音,回过神来,船体几乎已经破裂了一半,显眼的裂纹从左舷和右舷几乎一直延伸到龙骨,龙骨本身破裂,随着船首和船尾下沉到河底而向上突入水面,幸存下来的仅仅是船的底板。


这到底是怎么回事呢?


细微的裂纹与巨大的断裂

其实早在一战期间,就有多起船体、飞行器都遭遇过类似的大程度断裂。起初人们把原因归结于环境危害,结构设计缺陷,人为操作失误等等原因。但随着悲剧加多,科学的发展与重视,人类终于开始对断裂有了新的认知——固体力学的分支,断裂力学由此诞生。同时,学科所涉及的金属材料的疲劳特性也引起了广泛的研究与讨论。


原来,由于材料自身的结构缺陷,会导致在一次或多次受力之后,出现疲劳特性,而内部开始出现损伤,最终形成裂纹。


而这小小的裂纹,又是如何产生如此之大的影响的呢?


想得到这个答案,我们不妨从断裂力学的发展说起。


有趣的是,早在1921年,断裂力学的理论便已然有了雏形。


英国航空科学家A.A.Griffith用玻璃做实验,在年仅26岁的时候,就发表了一篇著名论文《The phenomenon of rupture and flow in solids》(固体中的断裂与延展现象)。


他从能量平衡出发得出了裂纹扩展的判据,并给出了断裂强度与缺陷尺寸之间的正确关系。这个以他命名的Griffith理论,为后世的理论知识奠定了基础,也因此,Griffith被称作“断裂力学之父”。


Alan Arnold Griffith(1893-1963)


有了这个基础,人们开始比较容易理解,为什么有裂纹的玻璃在受到低应力的情况下,会轻易脆断。


那么除了玻璃,其他的材料又是如何出现裂纹并最终断裂的呢?


对于这个问题,人们研究的步伐却赶不上无情的时间,灾难终究快我们一步。


彭德尔顿号沉没事件仅过了两年,又一次震惊世界的灾难爆发了。


人类第一架民用喷气机的坠毁


二战结束后,英国德·哈维兰公司,开始研制喷气客机,并命名为 “彗星” ,成为了人类历史上第一架民用喷气客机。


然而,该型机却在1954年接连发生空中解体事故:


1954年1月10日,英国海外航空781号班机在地中海上空发生爆炸解体,机上29名乘客(包括10名小孩)及6名机员无人生还。


同年4月8日,在南非航空201号班机上, “彗星” 再度发生空中解体事故,机上无人生还。


这两场空难夺走了德·哈维兰公司的信用,夺走了数十条鲜活的生命,甚至一度夺走了人类空中航行的希望。


国家地理杂志重建“彗星”号飞机空中解体


随着新闻媒体的快速发展,除了“彗星”客机,其他的飞机,船舶,还包括桥梁断裂,建筑断裂也陆续在各地被报道,为了搞清楚这些事件的元凶,断裂力学的先驱学者加快了脚步,并把这些类似大型断裂事故统称为:低应力脆断灾难性事故。


断裂力学的系统化形成

终于,在1957年,人类开始了第一步强有力的突破。


G.R.欧文通过分析裂纹尖端附近的应力场,提出了应力强度因子的概念,建立了以应力强度因子为参量的裂纹扩展准则。至此,线弹性断裂力学建立起来。


紧接着,人们对于脆性材料(材料在外力作用下如拉伸、 冲击等,仅产生很小的变形就破坏断裂),尤其是大部分金属材料的疲劳特性的理解加深。构建起来一套断裂力学的基础,并用于解释这一系列重大的低应力脆断灾难性事故。


应力强度因子是预测由远程载荷或残余应力引起的裂纹或缺口附近的应力状态,简单说,当材料出现裂纹或缺口的情况时,材料的均匀连续性被破坏,应力状态也随之发生变化。通常,裂纹会产生尖端,理论上来说,尖端区域的应力变大,而材料的应力承受有限,理论的最大值便可以当作参考的强度因子。


总结下来,有外力的时候,由于材料结构的自身原因,裂痕出现,而裂痕导致了受力变化,当达到一个临界值,裂纹便会延展,直到断裂。


通过不同的裂纹或缺口类型,在数学上,我们可以根据强度因子的公式去计算,从而得出裂纹的扩展条件,如果裂纹是非线性的变化,通过积分计算,也依然可以获得参考条件。


这里,我们可以拿Iphone早期手机设计的接线口为例,和如今狭小又置于低端的接线口不同,早期的Iphone把接线口做得比较大,并置于侧面,可视为壳体的一个缺口,当装入口袋被挤压,撞击等外力影响后,缺口两端出现裂纹,而裂纹出现的两处尖端受力场发生变化,应力变大,逐渐超过壳体本身的材料强度,裂纹便开始扩展,如图所示。


Iphone手机早期设计的接口常出现断裂情况


除了类似的脆性材料,更多的研究与理论也开始一一展开。根据所研究的裂纹尖端附近材料塑性区的大小,可分为线弹性断裂力学和弹塑性断裂力学;根据所研究的引起材料断裂的载荷性质,可分为断裂(静)力学和断裂动力学。


例如著名的德国城镇断裂事件,便是由于土地的缺口所发生的弹塑性断裂动力学。2007年的德国施陶芬城,有超过270的不同建筑出现大的断裂纹,损失超过了5000万欧元。


而原因是当时的地热钻探作业出现了问题:为了利用地热能,钻探者必须在地下水层和单独的无水无水化学物质硬石膏上打孔。这些缺口给建筑物的地基制造了多处裂纹,最终裂纹延展导致了几乎整座城市里所有建筑物的断裂。



德国施陶芬城镇超过200的不同建筑出现断裂纹


除了力学理论知识的开展,内部晶体结构与材料特性的研究也做出了更实用的贡献,致力于保证材料尽可能少地出现裂纹情况。金属的复合材料的开发便是巨大的进步。复合材料使得金属不但保留了原来的强度,而且增加了纤维和塑料的韧性,使得金属不再轻易疲劳。


断裂力学的理论与应用巩固了材料设计的安全性,也成为了不可或缺的一环。


科学与技术可能往往都是残酷的,发展的背后有令人唏嘘不已的故事,这也是我们更应该珍惜与重视科技的原因。


就像这个发展不到100年的学科,经历了如此多的灾难和血泪,才更能让我们体会到工程设计的不易。我们在享受高铁,飞机,船舶,桥梁等等,越来越安全的同时,也应该了解到背后的心酸与付出,更应该感谢为此付出的每一个人。


参考资料:


1. 维基百科 (Wikipedia)


2. Fatigue and Fracture of Ship Structures(船体结构的疲劳和断裂,https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/9781118476406.emoe007)


图片素材:


1. The Cracking Buildings of Staufen (施陶芬的断裂建筑,https://www.atlasobscura.com/places/staufen-germany)


2. 维基百科 (Wikipedia)


National geographic(美国国家地理,https://www.nationalgeographic.com/)


标签: 断裂   力学   材料   出现   裂纹