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日久年深,它变得越来越「弯」

本帖由 漂亮的石头2016-01-22 发布。版面名称:知乎日报

  1. 漂亮的石头

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    为什么晾晒衣服的塑料绳会随时间拉长?

    [​IMG] winningman,Ph.D. in chemistry

    这其实是高分子的一种特有现象,术语上称为“蠕变”。之所以能蠕变,是因为高分子特殊的粘弹性。所谓的粘弹性就是既有理想粘性体的粘性,又有理想弹性体的弹性。粘弹性的表现形式有多种形式,其中一种形式就是蠕变,对于蠕变的定义是:在一定温度下与恒定外力(拉力、压力等等)下,材料的形变随着时间的增大而增大。

    我们再来看看理想弹性体、理想粘性体和高分子这三者的蠕变行为有何区别。

    先来看理想弹性体,可以想象出一个弹簧,在弹簧的弹性范围内,只要对弹簧施加恒定的外力,它的形变就肯定是恒定的,不随时间而变化(见下图黑线)。也就是说,在力已经施加完毕后,理想弹性体完全不蠕变。

    再来看理想粘性体,在施加外力后,形变就在一直增大,并且形变量与时间是正比例关系(见下图红线)。也就是说,理想粘性体一直在蠕变,并且是随时间线性增加的蠕变。

    最后我们再来看线型的高分子(下图蓝线),其实也是一直在蠕变,但是蠕变曲线的细节是不一样的:在力施加的早期阶段,它的蠕变曲线是对时间呈现非线性变化,在足够长的时间后,蠕变曲线表现为理想粘性体的线性变化。

    [​IMG]

    我们再回归到题主描述的现象。铁丝在较小形变量下可认为是理想弹性体,当你挂上衣服的瞬间,虽然有形变的发生,但是形变量太小以致肉眼根本无法识别出来,而后期又没有蠕变,所以怎么用都不会变长。塑料绳子就不一样了,它的主要成分是线性高分子,即便一开始的形变量非常小,在挂着的衣服产生的长期应力下,非常缓慢地蠕变,外观看起来就是变长了。

    说完了这些,我们再从分子机理上看一下蠕变现象,其实蠕变是包含了三种形变:普弹形变,高弹形变、粘性流动。

    普弹形变:高分子材料受力瞬间,分子链的键长与键角马上发生变化。这种形变量较小,并且受力去除以后马上就会完全恢复。可用下图表示。

    [​IMG]

    高弹形变:分子量由卷曲变得较为伸展。是受力之后逐渐发生的,外力去除后,这种形变是逐渐恢复的,可用下图表示:

    [​IMG]

    粘性流动: 分子链之间产生了相对位移,也就是分子间的滑脱。这种形变在外力去除以后就没法再恢复了。如下图:

    [​IMG]

    这三种形变加起来的结果就是,只要受到外力,塑料绳就越用越长。但是要注意到,蠕变行为的速度是跟其具体材质有关的。有的塑料蠕变极其缓慢,所以在你有限的使用时间内,往往还不是容易观察到晾衣绳变长。尼龙材料在各种塑料里算蠕变较快的,所以也就有了题主说的尼龙绳很容易变长。

    有的妹子用塑料材质的头绳绑头发会发现越来越松的现象,其实都是一样的原因。

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