机械不稳定性通常是工程师尽量试图避阅读答案

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机械不稳定性通常是工程师尽量试图避免的一个问题。这种不稳定性可以迅速导致结构损坏：负重支架的坍塌，钢板平面的变形，或金属外壳的扭曲。结构损坏会带来灾难性的后果，比如美国在“二战”中制造的万吨货轮“自由轮”在海上航行时便因结构损坏而解体。对弯曲结构的数学分析过于复杂，该领域研究在19世纪中已经中止，因为利用当时的方法根本看不到解决问题的希望。

然而，在过去五年左右的时间里，新一代物理学家和工程师已经开始接受不稳定性。这些研究人员受到几何学和非线性数学最新进展的启发，从而取得他们的前辈们无法企及的成果。例如，他们已经提出了一种理论，来解释白菜叶和撕裂的塑料垃圾袋为什么出现波纹；计算了织物和纸张褶皱的模式；解释了脊椎动物胚胎中内脏纹路的生长方式。在实际应用方面，柔性聚合物和有机硅材料的广泛应用也一直是启发研究人员灵感的源泉，特别是智能手机柔性而又结实的外壳材料。这类材料使得电子产品、机器人、工具、车辆在彻底变形后，仍有可能恢复原貌。

来自哈佛大学的工程师贝尔托蒂在2012年3月美国物理学会（APS)的波士顿会议上，向人们展示了她在一家玩具店的发现：投影在屏幕上的“霍伯曼Ｏ形扭球”，看起来就像是一个彩色塑料链形成的中空足球。然而，只需简单扭曲这个球，让塑料链绞合，就可以使其塌陷成一个比原来小很多的球体，而向相反方向扭曲，又可以使它扩张回原来的大小。贝尔托蒂说，在这个玩具的启发下，她的团队创造出一种球形装置，利用机械不稳定性而不是链的绞合，来塌陷和扩张，完成与“霍伯曼Ｏ形扭球”相似的变形过程。贝尔托蒂解释说，困难在于弄清楚一种结构到底需要什么样的不稳定性，才能表现出所期望的行为，为此，必须精心设计球形装置的“软点”。

阿默斯特大学的物理学家桑坦格罗表示，他和他的同事们正致力于通过对计算机程序的完善来完成对材料的折叠。研究人员预测，可以通过一个完全自动化的过程，按照计算机生成的不稳定模式来刻写二维薄片，然后通过一个平稳、协调的操作过程将其准确折叠。麻省理工学院的工程师、“极端力学运动”带头人之一里斯的实验室则正同贝尔托蒂等人合作，他们的目标之一是编译一个模型辞典：在特定刺激下，多面体模型将以可预测的方式出现褶皱、弯曲、延伸、塌陷、膨胀等行为。这些模型都以带孔洞的球壳为基础，孔洞周围的连接物带有精心设计的软点，在受到压力时会褶皱弯曲。理论上，可以将这些可变形的多面体制成各种尺寸，小至纳米尺寸的给药小球，大至田径场可伸缩的屋顶。此外，能挤压成类似章鱼状而通过微小空间的机器人、能扩张成帐篷的背包，以及能像笔一样卷起来别在耳后的手机都变得可以想象。展望未来，一套能解释柔性固体扭曲时所表现出行为的新规则已呼之欲出。研究人员看到了一个将损坏转变成功能的全新境界。贝尔托蒂和她的热情拥护者都相信，极端力学的前景极为光明，远不只是工程师的玩具那么简单。

（本文系据《变形材料崛起》一文改写而成，原文载《环球科学》2012年10月号）

小题1:下列关于“机械不稳定性”的表述，正确的一项是 A．过去，“机械不稳定性”势必导致结构的迅速损坏，甚至带来灾难性的后果，因而工程师们通常都试图尽量避免它。

B．近年，“机械不稳定性”与过去迥异的新性质随着科学的进展被物理学家和工程师们发现，因而大家开始接受它。

C．利用“机械不稳定性”，可以使物体出现褶皱、弯曲、延伸、塌陷、膨胀等改变，科学家们已经掌握了发生改变的新规则。

D．把握“机械不稳定性”导致物质改变的规律，需要进行复杂的数学分析，在这些方面，今天已取得了许多新的进展。

小题2:关于极端力学的研究成果，下列表述与原文吻合的一项是[0．60] A．发明了“霍伯曼Ｏ形扭球”，它可以经扭曲塌陷成一个比原来小很多的球体，向相反方向扭曲，它又可以扩张回原来的大小。

B．发现了柔性聚合物和有机硅材料，这类材料使得电子产品、机器人、工具、车辆在彻底变形后，仍有可能恢复原貌。

C．发现了球形装置的“软点”这一关键，如对其进行精心设计，就可能使结构表现出人们期望的行为，从而编译出一个模型辞典。

D．将损坏转变成功能的全新境界已经出现，因为已经有了智能手机柔性而结实的外壳材料，还将出现纳米尺寸的给药小球和田径场可伸缩的屋顶。

小题3:下面对原文文意的理解与概括，不恰当的一项是 A．美国在“二战”中制造的万吨货轮“自由轮”在海上航行时解体，是结构损坏而导致的灾难性后果之一，而且当时无法对其进行深度解析。

B．从白菜叶和撕裂的塑料垃圾袋出现的波纹，到脊椎动物胚胎中内脏纹路的生长方式，这些都可以从不稳定性的理论中得到解释。

C．通过对计算机程序的完善，可以完成材料折叠的完全自动化的过程，但目前其中的一个遗憾，是计算机生成的模式仍不稳定。

D．能挤压成类似章鱼状通过微小空间的机器人、能扩张成帐篷的背包，以及能卷起来别在耳后的手机，都可能在不久的将来成为现实。

参考答案：

小题1:D

小题2:C

小题3:C

小题1:

试题分析：A错在“势必导致”，将实然判断改变为必然判断，原文说的是“可以迅速导致”；B错在“与过去迥异的新性质”，过去的性质依然存在且依然起作用，只不过人们对它的研究已经深化；C错在“已经掌握了发生改变的新规则”，原文为“新规则已呼之欲出”。

小题2:

试题分析：A“霍伯曼Ｏ形扭球”只是一款玩具，它用塑料链绞合而不是利用机械不稳定性；B原文说“柔性聚合物和有机硅材料的广泛应用也一直是启发研究人员灵感的源泉”，所以它同样只是研究者的借鉴对象而并非研究成果；D错在“已经出现”，原文说的是“看到了”，而并不是在事实上已经做到。

小题3:

试题分析：原文没有关于“计算机生成的不稳定模式”是一个缺憾的表述，原文所说的“不稳定模式”指的是利用“机械不稳定性”的模式，并不是说计算机的性能不稳定，原文还说到可以有“一个平稳、协调的操作过程”。