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为什么弹簧和橡皮筋弹性很好?

在课堂上,如果老师问:“弹簧为什么可以伸缩?”许多同学会回答说:“因为弹簧弹性。”那么,弹性是怎么来的呢?为什么一根木头却不能随意伸缩呢?要真正解开弹性之谜,还是要从物质的微观结构讲起。

所有的固体都有一定的微观结构(如晶格)。如果施加外力,晶格上的原子就会离开原来的位置,我们说发生了“形变”。假如外力撤消后,原子由于受到内部作用力的影响,又回到原先的平衡位置,这时物体就能恢复原状,这样的形变叫作“弹性形变”;假如外力撤去后,原子所受的内部作用力不足以使其回到原来的位置,物体不能恢复原状,这样的形变叫作“塑性形变”。弹性形变发生在一定限度之内,如果外力过大,使得物体的形变超出了弹性范围,这时物体就不能够恢复原状了。

不同的物质有着不同的弹性和塑性,取决于它们分别由哪些原子组成以及各自有怎样的内部结构弹簧之所以能够伸缩,是因为制造弹簧所用的弹簧钢具有很强的弹性,而且弹簧一般被制成螺旋状,这种特殊结构也能将各个部分的弹性积累起来,从而使弹性大大增强。

橡皮筋的主要材料是橡胶,这是一种有机物质,无论是天然橡胶还是合成橡胶,都是高分子聚合物,其分子是由许多相同的、简单的结构单元通过共价键重复连接而成的。橡胶分子链很长,而且呈螺旋状弯曲,当受外力拉伸时,这些螺旋弯曲状的分子会变直伸展;当外力撤消后,由于内部作用力的影响,它们又会恢复成螺旋弯曲状,从而使橡胶呈现出很强的弹性。不过,如果橡胶的变形太大或变形时间太长,分子链断裂,就不能回复原形了,这时会产生永久变形。

要增强橡胶弹性,可以把长链状的橡胶分子联结起来,变成立体的网,这种办法叫作交联。1839年,古德伊尔发明的硫化橡胶,就是用硫黄做交联剂使橡胶分子之间联结起来,橡胶弹性大大增强。现在的橡皮筋,就是用这种橡胶做的。