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裤兜如此多娇,引无数iPhone 6竞折腰?

时间:2014-10-24 作者:新科小编

说实话,我觉得iPhone 6 Plus“掰弯门”这件事有点过分夸大了。如果你愿意的话,可以掰弯或者折断任何电子设备,它们又不是金刚不坏之身。对我来说,这件事的重点不在iPhone,而是在人们如何讨论掰弯iPhone背后的物理学。下面让我们仔细看一看其中的一些常见的说法(以及一些正确的说法)。

压强与力

为什么在厚厚的雪地里走路要穿雪鞋?原因很简单,如果能不陷到雪里,走起路来就容易多了。雪鞋增加了你的脚与雪地之间的接触面积,但并没有改变你的体重。这是因为,让雪下陷的关键在于压强有多大,而不是作用在其表面的力有多大。压强等于作用力与接触面积的比,单位是牛顿/平方米(N/m2),也称作帕斯卡(Pa)。

那么掰弯iPhone 6 Plus呢?这时接触面积仅仅是一方面。如果你用一个很尖的东西去戳一块铝(iPhone后壳),肯定能弄出一个坑来。但是要弄弯整个iPhone的话,就与接触面积没关系了,除非你的整个手都压在iPhone的后壳上——假设真是这样,你也就不大可能会折弯它了。

我不太喜欢的一种说法是“增大它的压强”,也许我就是一个对这些细节较真的老古董物理学家,但是压强确实不是一个物体的属性,应该称它是一种相互作用。你可以说增大对于iPhone的压强,这样可能会更好,不过也许我该就此打住了。

力与扭矩

好了,在掰弯iPhone的过程中压强可能不是关键,那么作用力呢?如果你用力压手机,肯定会产生一些影响。通常来说,作用在一个物体上的单一力或多或少会改变它的运动状态。因此如果你去压手机但希望它保持静止,那么就需要另一个力与之平衡。

此时作用在物体上的合力依然为零,但是扭矩呢?扭矩是什么?我喜欢用旋转力来描述扭矩。正如力能够改变物体的运动状态,扭矩能够改变物体的旋转运动状态。推门就是一个很好的例子,推的地方离门轴的水平距离越远,就越容易推开。因此扭矩与作用力,以及作用力与某点间的距离(力臂)都有关。

在上面的例子中,作用在手机上的净扭矩依然是零。不过,这些扭矩还是能对物体产生一些影响。在工程学中,这叫做弯矩(bending moment)。按照我的理解,弯矩会让物体弯曲变形。

那么,为什么物体受到了作用力却还没被掰弯呢?事实上,所有东西都会被掰弯,哪怕只是一点点。而我们通常所说的“掰弯”实际上是指弯到无法恢复的程度,当物体的内应力超过其屈服强度(yield strength)时即会发生这种结果。

那紧身牛仔裤呢?

假设你觉得自己穿紧身牛仔裤非常酷炫,又刚好买了一台iPhone 6 Plus,你把手机放在裤子前面非常紧的口袋里,然后发现杯具了!手机被掰弯了!牛仔裤里的手机会受到什么样的扭矩呢?让我们大致来看一看。首先从一张示意图开始,下面是一张手机在你的大腿和牛仔裤之间的侧视图:

然后我们来算一下弯矩。如果已知紧身牛仔裤的张力(T)、手机中心到一端的水平距离(r)以及手机与牛仔裤的夹角(θ),那么手机一端的扭矩可以用下面的公式计算:

要确定r的具体数值并不难,只需要查看iPhone 6 Plus的尺寸,r是7.9厘米。那么角度如何测量呢?我认为如果估计得较高,应该有10°。而牛仔裤的张力就比较麻烦了,有个网站上说一条李维斯牛仔裤的张力可以达到142磅(约合64千克),不过我想这应该是牛仔裤被撕烂时的值。另外,这是整条牛仔裤的张力,假如只有一块很小的布料(iPhone大小的),张力可能就没那么大了。

这儿有篇非常有意思的文章[1] 是关于iPhone测试实验室的,里面说苹果公司在iPhone中央施加相当于25千克的力(约250牛顿),我猜当时iPhone应该没有碎。那么,紧身牛仔裤的布料要有多大张力才能与这个作用在iPhone上的力相当呢?在iPhone的实验室测试中,两端的支撑物是竖直向上的,而在牛仔裤的口袋里,这个力则有一个10°的夹角,因此,为了产生一个垂直于大腿的250牛顿的力,牛仔裤需要720牛顿的张力(162磅,约合73千克)。

让我们考虑一下最糟糕的情况。假设穿牛仔裤的人腿非常非常细,细到当把iPhone 6 Plus放进口袋时,两侧的布料被拉扯到垂直于iPhone两端。这种情况下,牛仔裤就需要125牛顿的张力,才能达到与实验室测试中相同的效果。而这才相当于28磅(约合13千克)的张力,所以你肯定觉得这种情况下掰弯iPhone没问题。先别急,其实这儿有两个问题:

首先,一些牛仔裤最多也就能产生28磅的张力,否则就会撕裂;其次,苹果实验室的测试结果似乎说明iPhone的中心能够承受相当于25千克(250牛顿)的等效弯矩而不弯。那么多大的弯矩才能把它掰弯呢?没人知道。

这说明什么呢?这说明基于这个预测结果,这条牛仔裤很有可能在掰弯iPhone 6 Plus前就已经撕裂了。

(转自果壳网)

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