夏天的时候,很多的人都喜欢喝啤酒,但是在以前的时候,尤其是在炎热的夏天的时候,偶尔会发生静止的啤酒瓶(未拆封)发生爆裂的现象,这样的现象在现在是很少发生的,不过这个现象可以说明的一点是满的啤酒瓶是比空啤酒瓶更容易破碎的,这个问题的探讨我们结合物理学中的压力以及对他们进行的受力分析,来进行简单的说明和分析。
题目中的问题可以分两类:密封的啤酒瓶,和开口的啤酒瓶。无论哪种情况,其实都涉及到固体的啤酒瓶和液体的啤酒之间的相互作用力。下面,我们一起来探讨一下。
1、密封的啤酒瓶
生活常识告诉我们,破酒瓶的封装后,瓶内会一同封印住大量的气体,即二氧化碳。二氧化碳的存在让夏天的冰啤更加具有良好的适口性。但是,同样的,瓶内的气压就会由于二氧化碳的存在而大于常压,通常有2个大气压的大小。对啤酒瓶进行受力分析,会发现内外压差有1个大气压左右。
因此,如果啤酒瓶质量不过关,到了夏天气温升高,瓶内压更大,即使不发生碰撞,啤酒瓶也可能因内压而炸裂。 小时候(90年代左右),就会被告知,要离啤酒瓶远一点。当然,现在的技术已经很成熟了,几乎没听到过静置的啤酒瓶发生爆炸。
2、开口的啤酒瓶
开口状态下,内外压一致,瓶身的受力就小很多,如果不发生碰撞,几乎不可能自发的爆炸。开口状态的啤酒瓶由于内外压一致,可以忽略,啤酒瓶仅受重力(瓶身重力和啤酒重力)作用。
空瓶状态的受力分析中少了一个液体啤酒的重力。
3、啤酒瓶的坠落
我们对于密封的啤酒瓶、开口的啤酒瓶,以及空瓶,撞击位置进行受力分析。对于密封的啤酒瓶,由于内外压差达到了一个大气压,因此瓶身和啤酒自身的重力可以忽略。这种状态下,撞击的时候,由于撞击点的“集中力”作用,局部应力急剧增大,加上内外压差,啤酒瓶首先从内部萌生裂纹,直至炸开。
对于开口的啤酒瓶,由于内外压差一样,因此不参与计算。撞击过程中,受撞击力和两个重力的作用,同样的高度坠落,开孔的啤酒瓶在撞击点的应力水平要小的多。实际上,在坠落过程中,忽略空气阻力,坠落过程瓶子与啤酒不发生作用。一旦开始撞击,瓶身首先受到地面的作用力(向上),此时瓶身已经受损。随即,瓶内啤酒由于自重再次作用与瓶底(向下),让受损的瓶底变本加厉,从而底部破裂。
对于空瓶,撞击过程中由于没有液体啤酒的二次作用,保险系数得到增强。
4、总结
综上,啤酒瓶的破裂与瓶身和啤酒密切相关。密封状态下,内外压是撞击破坏的主因。开口状态下,液体啤酒对底部的二次冲击是撞击破坏的主因。