力学进展：台风的形成、力学原理和高科技手段

点击上方蓝字了解更多计算与STEM领域研究前沿又到了中秋佳节。笔者盘点了中秋节当中有关的力学问题，给大家做个分享，祝大家中秋节快乐！中秋节大家都会吃月饼、赏月、挂灯笼，笔者就从这三个方面给大家盘点一下。月饼制作面团面团在受到揉捏和压力时，会表现出一定的弹性，在力去除后能够部分恢复原状。同时，面团还具有塑性，当外力足够大时，它会保持变形后的形状。揉面过程中，面团内部的面筋网络在剪切力作用下不断拉伸和重组，这种过程有助于面团的延展性和粘弹性。月饼成型月饼放入模具中压制成形。模具施加的力需要均匀分布，以确保月饼的图案清晰且表面光滑。如果压力不均匀，月饼的厚薄会不一致，影响其外观和口感。如果施加的压力过大，月饼的面皮可能会变得过于薄弱，影响整体稳定性；而压力过小，月饼形状可能无法牢固定型。包装和存储涉及到力学中的承重和压力分布问题。多个月饼堆叠在一起时，底部的月饼需要承受上方月饼的重量。如果包装设计不合理，底部月饼可能会被压扁或变形。因此，在设计包装时，一定要考虑如何分散或减少对月饼的压力。烘烤过程在烘烤月饼时，面团会受热膨胀，烘烤完成后冷却时又会收缩。月饼皮的成分（如面粉、糖浆等）在受热时发生体积变化，烘焙师需要根据烘烤温度和时间来控制这种变形的程度，确保月饼的口感和外观一致。馅料与面皮月饼的馅料和外皮之间需要一定的黏附力，才能保持月饼在切割和食用时不会分离。这一过程涉及到黏性和摩擦力的作用。在包裹馅料时，面皮受力会发生形变，面皮的厚度和均匀性直接影响月饼的外观和口感。如果受力不均，部分月饼皮可能过厚或过薄，影响最终的质量。切割月饼切割月饼时，刀具需要提供足够的剪切力来切割外皮和内部的馅料。月饼的硬度和馅料的质地不同，刀具的锋利程度和切割力的大小都会影响切割效果，刀片越锋利，越能减小月饼被压碎的可能性。赏月 & 嫦娥奔月逃离地球引力在神话中，嫦娥“飞升”到月球，涉及到逃离地球引力的概念。要从地球表面离开并进入太空，物体需要达到“第二宇宙速度”或“逃逸速度”，即大约11.2 km/s，这样才能摆脱来自地球的引力。嫦娥要从地球奔向月球，这可以类比为从地球轨道转移到月球轨道。这涉及到轨道力学中的霍曼转移轨道。航天器通过精确计算从地球发射的时间和角度，进入一个与月球交汇的椭圆轨道，使航天器逐渐接近月球。一旦进入月球引力范围，嫦娥（或航天器）需要进行减速，以避免飞越月球并脱离其引力场。这个过程涉及引力捕获和减速制动，可以通过减速点火等方法实现。引力和潮汐作用地球和月球之间的引力相互作用不仅维持了月球绕地球的轨道，也产生了地球上的潮汐现象。在嫦娥奔向月球的过程中，地球和月球的引力对她的运动有重要影响。月球对地球的引力作用形成了稳定的轨道，任何前往月球的物体（包括航天器）都需要应对这些引力变化。月球由于受到地球引力的影响，已经被锁定在潮汐锁定状态，因此总是以同一面朝向地球。嫦娥奔向月球时，她所到达的月球正面是唯一可以被地球人类观察到的一面。这种引力锁定现象是由长期的潮汐作用导致的。月球表面引力嫦娥到达月球后，月球上的引力只有地球引力的约1/6。这意味着她在月球上的重量会大大减轻，行动起来相对更加轻便。这种低引力环境会影响她的运动方式，例如跳跃时可以跳得更高，下降速度也会更慢。由于月球的低引力环境，航天器或人物在降落时需要小心控制速度，避免因速度过快而坠毁。现代航天器在着陆月球时，会采用反推火箭等方式进行减速，以实现平稳着陆。悬挂灯笼结构灯笼通常由竹条或金属丝制作的骨架支撑，这个骨架的设计需要考虑到承载能力，以保证灯笼的整体形状不会因重力变形。骨架的强度和刚度必须足以支撑灯笼的重量（包括框架、纸、丝绸等材料），同时保持轻便。为了使灯笼不发生变形，灯笼的骨架需要均匀分布力量。如果某个部分受力过大，灯笼可能会倾斜、变形或破裂。因此，设计合理的结构能有效分散来自灯笼各部分的应力，保证灯笼的整体稳定性。材料传统灯笼通常使用纸或丝绸来覆盖骨架，这些材料需要具备足够的抗拉强度，能够承受灯笼在制作、悬挂和使用过程中的拉力而不被撕裂。同时，这些材料还需要足够轻便，以减少灯笼的自重，降低对支撑结构的要求。纸质或丝绸的柔韧性和延展性决定了它们能否轻松贴合在灯笼骨架上，不会因为过度拉扯而撕裂。同时，材料的延展性允许它在轻微变形的情况下恢复原状，从而增加灯笼的耐用性。风吹灯笼灯笼悬挂在户外时，会受到风的作用。灯笼的设计要考虑到风压的影响，尤其是在有风的环境下，灯笼如何保持稳定。如果风力过大，灯笼可能会摇晃或翻转，甚至会因结构不稳而损坏。为了减少风对灯笼的影响，灯笼通常设计得相对轻便且对称，以降低迎风面，减少风力对灯笼的冲击。灯笼悬挂在风中时，风的作用会使其产生摆动。这与摆的运动类似，悬挂点的高度、灯笼的重量和形状都会影响摆动的幅度和频率。通过选择合适的悬挂长度和材料，可以减小摆动幅度，保持灯笼的稳定性。平衡和稳定灯笼悬挂时的平衡性很重要。灯笼的重心决定了它在重力作用下的稳定性。为了避免灯笼倾斜，设计时需要确保灯笼的重心尽量位于中间，并且悬挂点与重心对齐。这能确保灯笼保持垂直状态，不会出现倾斜或侧翻。悬挂灯笼时，重力会通过悬挂线传递到固定点。灯笼的重量和悬挂线的强度需要匹配。如果灯笼过重或悬挂线过细，可能会导致悬挂线断裂或灯笼掉落。因此，悬挂线和固定点的材料和设计都要足够强韧，以承受灯笼的重量和风力等外力。热空气在传统灯笼中，烛光是灯笼的光源。点燃蜡烛后，内部空气由于温度上升膨胀，仍可能对灯笼内部结构产生一定的压力和影响。烛火产生的热量会传递到灯笼的材料上，因此灯笼需要使用耐热的材料，尤其是烛火周围的部位。如果材料的耐热性不够，可能会出现燃烧或变形，影响灯笼的使用寿命和安全性。悬挂悬挂灯笼的绳索或挂钩必须足够牢固，以支撑灯笼的重量并抵御外部环境的影响。这涉及到绳索的抗拉强度和挂钩的耐用性。绳索与灯笼连接的方式需要均匀分布力量，避免局部受力过大而导致损坏。灯笼通常挂在固定的支点上，支点需要能够承受灯笼的自重和外力（如风力）。如果支点不够牢固，可能会导致灯笼掉落或移动。因此，选择合适的支撑点和牢固的挂钩是保证灯笼悬挂稳定的关键。 如果你觉得此文对你有帮助，请点赞，谢谢！计算机技术在科学&技术&工程&数学中得到了广泛的应用，力学方面，计算机技术成为了科学的第四次革命性技术，现在基于计算机的数据科学已经逐步成为力学等其他科学发现的第四范式。人工智能、大数据、数字孪生等概念已经逐步成为当今时代的主题。智能制造、智能算法、数据驱动力学、大语言模型、自动驾驶在当今社会展现出巨大潜力，吸引了大量的研究人员。同时高性能显卡和多核中央处理器的出现为大规模数值模型的高性能计算提供了强大算力。公 众号为力学相关行业的爱好者、教育人士和从业者提供一个平台，希望能通过自己对前沿研究、技术培训和知识、经验的整理、分享带给相关读者一些启发和帮助。STEM与计算机方法扫一扫二维码关注本公 众号 来源：STEM与计算机方法