橡胶化学成分分析(为什么橡胶球有弹性但铁球却没有弹性？)

Posted 2023-05-30

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橡胶化学成分分析(为什么橡胶球有弹性但铁球却没有弹性？)

每到周末，许多人喜欢相约去打打乒乓球、打篮球或是踢足球，更高端些的会去打网球和高尔夫，嗯，那是贵族运动。

但你很少听说谁跟谁去打铁球玩儿。

在球类运动中，我们时常要利用它们的弹性特征，比如说当一个孩子将橡胶球玩具扔到地上时，球可以反弹得很高。但你要扔一个铁球就不行，它大概率会将地面砸一个坑而不是反弹起来。

铁球与橡胶球

同样是球，为什么有些球可以反弹起来，而另一些球就不能呢？

这一方面涉及到球的材料，同时也是一个物理问题。

球的材料决定了弹性，这是天生的

乒乓球最初是由一种叫赛璐璐的人造塑料制作的，由于这种材料的主要成分是硝化纤维素和樟脑，它极易燃烧，现在被改用一种新型聚合物材料制作。

打乒乓球的孩子

高尔夫球的外壳是由聚丁二烯来制作，这种材料的恢复系数达到惊人的11.8，很少有其它材料比它的弹性更好了。

高尔夫球的外壳弹性极佳

而其它如篮球、排球与足球的内胆、网球等等，包括孩子们玩的弹跳球，则大多离不开橡胶。丁基橡胶的恢复系数达6.24，这表示它有很好的弹性。

你将一个篮球砸向地面，它能反复跳动很多下，但你要把一颗铅球扔地上，顶多听到“咚”的一声它就停下来了。于是我们知道篮球的弹性很好，铅球没什么弹性。你的感觉很对，铅的恢复系数仅有0.08，它是一种非常软的金属。

篮球弹跳高度会逐渐减小

弹性是指一个材料被压缩或拉伸后，它恢复原来形状有多快。一个物体越快回复受力变形之前的状态，表示它的弹性越好，反之弹性就越差。

为什么橡胶和其它大部分聚合物有很好的弹性和柔韧性？这与它们的分子结构有关。

天然橡胶的主要成分是顺式-聚异戊二烯，现在我们用到的橡胶制品大多是化学合成的顺式-聚异戊二烯，它是一种长的碳分子链。

人工合成橡胶的长分子链

橡胶就是由这样长长的碳分子链组成的纤维相互纠缠、交错、键合而成，碳纤维之间依靠不同点处的分子键与其它碳纤维附着。橡胶具有很强的分子键，橡胶的长分子链可以围绕这些将它们结合在一起的化学键进行物理旋转，于是显示出很强的柔韧性。同时由于分子链是交联的，因此橡胶在变形后不容易断裂，它可以迅速恢复其原始形状。

碰撞是能量转化过程

当我们将一个球举高，由于对球做了功，使球有了势能。我们松开手时，球会因重力而下落，全部势能转化为动能。

在球与地面撞击的过程中，球上的分子会受到力的挤压而改变其原来的相对位置，球的形状会发生变化。有些球的接触面会被压瘪，而那些弹性好的橡胶球则因为碳分子纤维相互纠缠在一起，力的传递使得球变成一个扁的椭球体。

反弹的过程

在撞击发生后，球的前进受到阻碍而突然停止，但此时它依然还有向前的动能。这些能量一部分被冲击的表面吸收转化为其它能量，另一部分会作用于球的自身，这就是球的弹性能量。

对于橡胶球来说，弹性能量使得分子链变形，分子键之间的力会增加。当球停止后，储存在分子键上的能量会被释放出来，使球向地面施加力。按照牛顿第三定律，地面会对球施加一个大小相等且方向相反的力，从而使球离开地面。

但铁球的情况就明显不同。铁原子之间是以晶体结构进行键合的，虽说它们键合的力很大，但它缺乏弹性，如果两个铁原子之间因为受到外力作用发生了位置变化，变了也就变了，它大概率不会回到原来的地方。那么撞击的能量去哪儿了呢？能量大多会被吸收，其中一部分用于改变原子之间的位置（也就是变形），另一些转化为热能，剩下的用于反弹。当你捡起铁球时，会发现要么球上有个凹痕，要么地上有坑，或者两者都有。

铁球与橡胶球的反弹示意

弹性碰撞是另一回事

说到这里，你一定想到了物理课里介绍的弹性碰撞。我们的物理老师在讲到弹性碰撞时常常会用到一个工具——牛顿摆，来介绍弹性碰撞的原理。

既然橡胶球比铁球更有弹性，为什么牛顿摆上用的是铁球而不是橡胶球呢？

牛顿摆通常用铁球制作

请注意：本文介绍的碰撞中的“弹性”与弹性碰撞中的“弹性”，它不是一回事。

本文中橡胶球的弹性，是指物体受力变形后回复它原有形状的特性，以及这种特性产生的物理现象。而物理中的弹性碰撞，它指的是刚性物体在理相状态下发生碰撞后的动能转移。

在弹性碰撞的过程中，发生相互碰撞的物体，它们必须是完全刚性的，也就是说它们自身不会变形（事实上除了原子最近似外，世界上并不存在这种物体）；其次，在发生碰撞后，动能不会转变为其它能量，比如热能，甚至连声音都不应该有。

气体原子的弹性碰撞示意

牛顿摆只能近似地演示弹性碰撞的动能传递，铁球在小幅度撞击时自身的变形很小，空气的阻力、摆绳的摩擦力可以忽略，啪啪的撞击声也可以假装听不见。但事实上它要不了多久就会停下来，因为能量在撞击的过程中一点点地损失掉了。

牛顿摆常被用来演示弹性碰撞

既然橡胶球的弹性比铁球好，为什么不用橡胶球做牛顿摆呢？其实橡胶球的碰撞过程在物理学上属于非弹性碰撞，因为橡胶球在受外力挤压后会产生变形，形状的改变意味着动能会转变为其内部原子的振动能，从而造成动能损失，它传递出去的能量一定会减少，因此橡胶球不适合用来做牛顿摆。

总结：

物体是否对外显示出弹性，主要取决于它内部的分子结构。橡胶球、乒乓球以及高尔夫球等物体主要由高分子材料制成，这些高分子材料中有相互纠缠的碳分子链，碳链受挤压变形、将能量储存起来再部分释放，从而使球弹跳。

包括铁球在内的绝大部分金属球的弹性很差，因为它们是由原子相互键合而成的晶体。当受到外力撞击时，受冲击部位的原子改变位置后不会再回到原处，大部分动能被消耗掉了，所以铁球很难弹跳起来。

巨大的铁球被用来夯实地面

球体内部的充气会减轻球的重量同时增加弹性，为了简化，我们没有考虑这个因素；同时我们还忽略了被碰撞物体的性质，假设它是刚性的。你把一颗橡胶球扔在一张厚地毯上，它也弹不起来。

最后需要重申的是：橡胶球的碰撞在物理学上被称为非弹性碰撞，这与弹性碰撞的定义有关，跟本文中讨论的弹性变形是两回事。