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选修实验一：预应力复合条实验 —— 从 前沿研究转化的教学实验

选修实验一：预应力复合条实验 —— 从 前沿研究转化的教学实验. 知识点 预应力 复合梁 残余变形. 一、引言：. 1. 神奇的植物自主运动（ 1 ）. 黄瓜卷须搜寻到支撑物后，拴紧， 自盘缠拉拽攀援. 一、引言：. 1. 神奇的植物自主运动（ 2 ）. 成熟后，豆荚爆裂弹射籽粒. 捕蝇草在昆虫进入后高速合拢捕获猎物（图见后）. 一、引言. 2. 历史追踪. 黄瓜藤卷须碰到了某个物体后，迅速卷曲 …… 收缩成螺旋形，把植株拉高，形成一个美妙的弹簧。 —— 达尔文. （捕蝇草是）世界上最神奇的生物之一 —— 达尔文.

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选修实验一：预应力复合条实验 —— 从 前沿研究转化的教学实验

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Presentation Transcript

  1. 选修实验一：预应力复合条实验 ——从前沿研究转化的教学实验 知识点 预应力 复合梁 残余变形

  2. 一、引言： 1.神奇的植物自主运动（1） • 黄瓜卷须搜寻到支撑物后，拴紧， • 自盘缠拉拽攀援

  3. 一、引言： 1.神奇的植物自主运动（2） • 成熟后，豆荚爆裂弹射籽粒 • 捕蝇草在昆虫进入后高速合拢捕获猎物（图见后）

  4. 一、引言 2. 历史追踪 黄瓜藤卷须碰到了某个物体后，迅速卷曲……收缩成螺旋形，把植株拉高，形成一个美妙的弹簧。 ——达尔文 （捕蝇草是）世界上最神奇的生物之一 ——达尔文 查尔斯·罗伯特·达尔文（C.R.Darwin，1809.2.12—1882.4.19），英国生物学家，生物进化论的奠基人 达尔文以后两个世纪以来，植物以非植物方式的运动 吸引了许多杰出的科学家

  5. 一、引言 3. 力学机理研究的最新进展 豆荚： Shahaf Armon, Efi Efrati, Raz Kupferman, Eran Sharon. Geometry and mechanics in the opening of chiral seed pods. Science. 2011. 333: 1726-1729 黄瓜卷须：Sharon J. Gerbode, Joshua R. Puzey, Andrew G. McCormick, L. Mahadevan. How the cucumber tendril coils and overwinds. Science. 2012, 337: 1087-1091 两项前沿研究意想不到的联系：它们的力学原理都归结为简单的材料力学 预应力复合条模型

  6. 二、豆荚显微组织与弹射变形的实验模拟 1.豆荚组织——正交纤维铺层结构 • 弹射机制：籽粒成熟时失水，正交收缩变形弹射 定时，无耗能，简单，魔术螺旋

  7. 2. 豆荚的力学模型 • 双层结构的正交收缩相当于两圆柱面强制粘合

  8. 3、预应力复合条制作 力学等效设计：加载后卸力收缩代替失水收缩 • 两薄橡胶层 • 正交拉伸 • 粘结 • 裁条（阴影区）

  9. 4、观察和研究条的魔术般变形性质 • （1）. 裁剪角从0度变到90度，窄条经历盘缠、柱面螺旋、纯扭螺旋再变为盘缠，但内外翻转。

  10. 4、观察和研究条的魔术般变形性质 • （2）. 左图：裁剪角变化90度，螺旋手性转换 • （3）. 右图：宽条裁成窄条，圆柱面螺旋变纯扭螺旋

  11. 4、观察和研究条的魔术般变形性质 • （4）. 宽条的双稳态性质，内外翻转后保持稳定状态

  12. 三、黄瓜卷须组织与自盘缠拉拽的实验模拟 1. 黄瓜卷须搜寻到和拴住支撑物后的组织变化 • 一侧纤维木质化失水收缩 • 下图为木质化带放大图，右图为荧光图

  13. 三、黄瓜卷须组织与自盘缠拉拽的实验模拟 1. 实验模拟 意想不到的联系：黄瓜卷须自盘缠拉拽的力学模型与豆荚的相同，都是 预应力复合条模型 • 两薄橡胶层 • 一层拉伸 • 粘结 • 裁条（阴影区）

  14. 盘卷成饼状 2、观察和研究条的魔术般变形性质 • （1）左图，自然盘卷成饼状；右图拉伸并允许两端自由扭转，条在卸力后成为普通螺旋。初始条件不同，手性改变。右上图是左手螺旋，右下图是右手螺旋

  15. 盘卷成饼状 2、观察和研究条的魔术般变形性质 • （2）在限制两端相对扭转的条件下拉伸，条成为像黄瓜卷须一样有换向节的螺旋，换向节旋向可以改变。

  16. 盘卷成饼状 2、观察和研究条的魔术般变形性质 • （3）换向节可以位于螺旋的任意位置。左图换向节靠近左端，右图有两个换向节

  17. 盘卷成饼状 四、黄瓜卷须模型的改进 （1）上述模型与黄瓜卷须力学性质上的差别：模型拉伸时盘卷圈数单调减少，刚度不增加。但是卷须拉伸时盘卷圈数增加，刚度也增加。 力学揭秘：卷须收缩纤维带木质化时刚度增加 模型拉伸时盘卷圈数单调减少，刚度不增加。 卷须拉伸时盘卷圈数增加，刚度也增加。

  18. 盘卷成饼状 四、黄瓜卷须模型的改进 （2）模型的改进：将上述模型内侧粘贴布条，外侧粘结铜丝，精确模拟了卷须的力学性能 改进模型：拉伸时（下图）刚度增加，盘绕圈数增加

  19. 五、力学大美——几例奇妙双稳态结构 上述两个实验多次出现双稳态结构，自然、工程和生活中有大量双稳态结构，它们展现了自然之大美 • 1. 回首童年幻梦——啪啪尺

  20. 四、力学大美——几例奇妙双稳态结构 2. 创造植物食用动物的奇迹 —— 捕蝇草

  21. 四、力学大美——几例奇妙双稳态结构 • 3. 深空探测——空间自展开装置

  22. 五、讨论题——材料力学的拓展应用 六、参考文献 • Shahaf Armon, Efi Efrati, Raz Kupferman, Eran Sharon. Geometry and mechanics in the opening of chiral seed pods. Science. 2011. 333: 1726-1729 • Sharon J. Gerbode, Joshua R. Puzey, Andrew G. McCormick, L. Mahadevan. How the cucumber tendril coils and overwinds. Science. 2012, 337: 1087-1091 • 蒋持平，尚伟，姜开厚，严鹏. 豆荚弹射传播种子的力学Ⅲ：实验模拟. 力学与实践，2012，34（4）：104-105 • 蒋持平，尚伟，赵婧，姜开厚，黄瓜卷须II：显微组织与力学行为的实验模拟，力学与实践，2013，35（3）：101-103

  23. 谢谢

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