皮筋拉得越長，寬度越窄？這是泊松比在“作怪”！

大家一定都有過這樣的經(jīng)歷：當(dāng)我們在日常生活中玩彈性皮筋時(shí)，隨著我們不斷用力拉伸它，皮筋的長度會(huì)變長，而寬度卻會(huì)變窄！這個(gè)有趣的現(xiàn)象反映了一個(gè)奇妙的材料特性，那么這究竟是怎么回事呢？

在材料力學(xué)中，我們運(yùn)用一個(gè)專門的名詞——泊松比，來描述材料在受到外力作用時(shí)的變形方式。泊松比簡單來說是指材料在單向受拉或受壓時(shí)，其橫向正應(yīng)變與軸向正應(yīng)變的比值。這個(gè)比值實(shí)際上是一個(gè)反映材料橫向變形的彈性常數(shù)，它幫助我們理解材料在受到外力作用下如何發(fā)生形變。

對(duì)于大多數(shù)材料而言，它們的泊松比都是正值，通常介于0.2-0.5之間。這意味著當(dāng)材料受到單向拉伸時(shí)，其徑向會(huì)發(fā)生收縮；而當(dāng)受到單向壓縮時(shí)，徑向會(huì)發(fā)生膨脹。

然而，也存在?些特殊材料的泊松比是負(fù)值。這意味著這類材料在受到單向拉伸時(shí)，其徑向會(huì)變寬；而當(dāng)材料受到單向壓縮時(shí)，其徑向反而會(huì)變窄。這類材料被稱為負(fù)泊松比材料，又俗稱為“拉脹材料”。

負(fù)泊松比材料之所以備受關(guān)注，是因?yàn)樗鼈兙哂信c普通材料不同的獨(dú)特性質(zhì)，具備了其他材料所不能比擬的優(yōu)勢。它們在耐疲勞、能量吸收、多孔滲透性、抗剪性和抗斷裂性等方面均具有較好的性能，從而被廣泛應(yīng)用于汽車、船舶、航空航天和醫(yī)療等領(lǐng)域。典型的負(fù)泊松比材料包括黃鐵、貓皮膚、熱解石墨、人動(dòng)脈內(nèi)皮、向日葵的泡沫芯及具有微裂紋的巖石等。這些材料的特性使它們在科學(xué)研究和工程應(yīng)用中發(fā)揮著重要的作用。

作品來源

本作品是在中國科協(xié)生物力學(xué)科學(xué)傳播專家團(tuán)隊(duì)、中國生物材料學(xué)會(huì)生物力學(xué)科學(xué)傳播團(tuán)隊(duì)樊瑜波教授、王麗珍教授指導(dǎo)下完成。

作者：姚艷、石煙祝、于佳玉、楊鑫怡、黃慧雯

支持單位：北京市生物醫(yī)學(xué)工程高精尖創(chuàng)新中心科普教育基地、中國生物材料學(xué)會(huì)材料生物力學(xué)分會(huì)。

本作品由中國生物材料學(xué)會(huì)精品科普項(xiàng)目資助