强度理论-压力极限.

受均匀外压时是否存在使材料破坏的极限压力？

1． 主题词

材料强度，强度理论，压力，破坏，

2． 问题背景

水是有压力的，水深每增加10米，水的压力就增加一个大气压，那么在几

千米的大海深处物体所受到的压力之大是在地球表面难以模拟和想象的。为什么

在深海海底的软泥中还能完好无损地保存着史前微生物的遗体，一些海底生物也

没有因为海水的压力而消亡？

类似地，土层对于埋藏在土中的物体也有压力作用，而且比水的压力更大，

每4米土深就相当于10米水深。恐龙作为7000万年前的生物早已成为化石沉入

地底，并随着底层下降，同样承受着巨大的土压力，为什么如今的考古学家居然

可以发掘出完整的恐龙骨架？它为什么没有被土压碎？

这两个疑问可以归纳为同一个力学问题：即受均匀外压时，是否存在着一个

使材料发生强度破坏的极限压力？如果答案是肯定的，那末就需要有试验验证对

于确定的物体材料测出确定的极限压力。如果答案是否定的，那么需要给出一个

令人信服的理论解释。

南京地质学校的教师李泰来在十几年的时间里做了无数个试验，包括在

4600米深海的水压试验。在这样的深度，被抽成真空的热水瓶胆由于比重比海

水小，被轻易地压得粉碎；但是，一块普通的豆腐乳由于比重比海水大，居然丝

毫无损（在地面上，仅用一个装满水的矿泉水瓶就可以把这种豆腐乳压碎压扁）。

大量的试验过后，李泰来得出了如下结论：

“水其实只对比重比它小的物体有压力；对于比重和它一样的物体是没有压

力的。而对于比重大的物体，水不仅产生不了压力，而且反过来被对方‘压’”。

基于新的比重理论和大量精确的试验数据，最终得出了更惊人的结论：物体

自由落体理论、单摆振动理论、万有引力定律和流体静压定律、浮力定律等五大

经典定律全部在精密的实验面前被推翻！

本案例只讨论在外压下材料的强度问题。

3． 问题与思考题

（1） 你相信这个关于水压力与比重相关的结论吗？

（2） 物体的强度和材料的强度有何区别？是否存在着一个使材料发生强度破

坏的极限压力？

（3） 试设计一个试验方案可以验证问题（3）的答案

4． 问题分析与参考答案

（1）这个关于水压力与比重相关的结论确实是前所未闻的。为了使问题明确起

见，让我们首先讨论上文提到的两个试验。对于试验的结果，可能并不值得怀疑，

但如何解释这一结果却是大不一样。抽真空的热水瓶胆在深海下被压碎属于外压

失稳破坏，失稳是结构或构件的一种特定的失效形式，这与实心物体的强度破坏

完全是两回事，两者间不具备什么可比性，因此以此事实归纳出的结论是难以令

人信服的。比重是物质的一种物理属性，定义为物质的重量与4°C同体积的纯

水的重量之比。我们可以说铁的比重，玻璃的比重等，空心的热水瓶胆有体积和

重量，但没有比重，因为它的体积不是由同一种物质材料所占据，因而不能代表

一种物质而是一个充气结构。

受外压的容器体积是一定的，但可以通过改变充装量来增加其重量，它的破

坏与其重量有没有关系？让我们以潜水艇为例来讨论。潜水艇可以安全地漂浮在

水面或下潜到一定的深度，但是一旦超过了极限深度，就会面临失稳破坏的危险。

1963年4月10日，美国核潜艇“长尾鲨”号在航行中发生海损事故，潜艇失去

操纵，自由下潜到2550米的大洋深处，大大超过了其400米的极限深度，原本

坚固的艇壳被强大的海水压力硬给压成了铁饼，艇上人员无一生还。如果用“比

重”理论如何解释这一现象？难道可以说沉入海底的潜艇比重变轻了吗？

证明一个理论是不容易的，但是否定一个理论，可能会容易得多——只需提

出一个反例。

（2）首先我们需要把讨论的对象和范围作一个限制。强度是一个被广泛应用的

词汇，在不同的领域具有不同的涵义。现在我们要讨论一个材料力学问题，而不

是一个物理问题。按照材料力学，我们把强度理解为抵抗破坏的能力，破坏是指

材料断裂或出现不可恢复的大变形。

物体的强度是一个模糊概念，因为它可能包括了一切研究对象，因而可能涉

及到不同性质的问题。结构的“强度”可能涉及到稳定承载力，如抽空热水瓶胆

在深海下被压碎；构件的强度还具有尺寸效应，大尺寸构件均匀性差并可能含有

更多的微观缺陷因而具有强度偏低的趋势，只有小尺寸标准试件的强度才能代表

材料的强度。标准试验测定的是材料的单向拉伸强度和压缩强度，对于同一试件，

不同的受力形式下得到的强度也会截然不同。

任何材料都有一个拉伸强度和压缩强度，是在单向受力的条件下测定的。在

多向受力下情况复杂，必须分别研究。

材料在受多向压缩时的强度常会高于单向受压强度，这与试件的变形受到约

束有关。冬季北方常常发生自来水管被冻裂的现象，就是冰在多向受压下不易破

坏的例子，这时我们当然不能简单地说铁管的强度比冰还低。

处于三向等压的应力状态是一个特殊的情况，处于深海之下可产生这样的受

力条件。实心固体在深海里不易发生破坏的道理可以通过强度理论来解释。三向

等压的三个主应力是数值相同的三个压应力，由于不存在拉应力，因此第一强度

理论不适用；按照广义胡克定律分析，其三个主应变全是负值，没有伸长线应变，

因此第二强度理论也不适用。按照古典强度理论，这就是说材料不会发生脆断破

坏。又由于三个主应力数值相等，各主应力差都为零，因此按照第三和第四强度

理论得到的相当应力都是零，也就是说，材料也不会发生屈服破坏。除了四个古

典强度理论外，还有一些其它的强度理论，但对于没有正应力和切应力的情况也

都难以达到其破坏条件。这一分析意味着在均匀受压情况下，不管压力有多大，

并不存在一个使材料发生强度破坏的极限压力，而这一分析中并不涉及材料的比

重。虽然材料在均匀外压下不易破坏，但是会有变形使受压物体产生体积改变，

这一变形量的大小与压力大小成比例，影响变形的唯一的材料性质指标是弹性模

量。

（3）略

5．相关链接——钻不破的肚皮

物体在均匀压力作用下不易破坏，虽难以理解，但尚不难想象。一个与强度

相关的趣闻涉及到的却是血肉之躯，其结果更是不可思议。

2007年3月22日中央电视台科学教育频道的“探索发现”栏目播出了一个

电视真人秀节目，题目为“钻头下的真相”。表演者李康乐先生手持一个冲击钻，

就是平常家庭装修钻墙壁的那种，他先安装上了一个崭新的14毫米直径的硬质

合金粗钻头，随后表演开始。为了证实表演的真实性，他依次分别钻透了厚厚的

钢板、硬木头、石头和一块带皮的猪肉。最后，关键的表演开始了。一个年轻力

壮的小伙子手持冲击钻对准李康乐的肚皮将飞速旋转的钻头顶了上去，李康乐双

手张开用力地迎上前去，电视特写镜头展示了钻头将肚皮顶出一个大凹坑，但经

过很长一段时间竟然没有钻破！这是怎么回事？难道人的肚皮真的比钢铁和石头

还强硬吗？

主持人宣布这个表演不是魔术戏法，也不存在特异功能，观众眼见的事实都

是真实的，没有弄虚作假，钻头没有反转，表演双方都已充分用力，钻头压力不

低于50多公斤。这个表演具有相当的危险性，希望观众一定不要盲目模仿，以

免发生意外伤害。最终主持人总结说这一表演是技巧、能力和胆量的完美结合，

并提供了保证表演成功的几个细节：（1）表演者经过长期练习，肚皮具有非同常

人的承载力——皮厚为常人的2倍多，皮下肌肉为常人的3倍多；（2）钻头较粗，

在之前的钻透钢铁等硬物过程中将钻头锋利的刀刃磨钝；（3）严格控制转速，减

少热量；（4）表演中尽力吸肚子使肚皮回缩，增大接触面积。

6．参考文献

[1] 黄韬文，没有人相信，他推翻了牛顿和伽利略，文摘旬刊，2000年8月25

日

[2] 任容君，坚如磐石的艇壳，新民晚报，2000年12月12日