为什么柱子受力会发生压缩,而一根杆子却会“弯下了腰”呢?这是因为如果杆内部物质分布足够均匀,使得内部力的分布足够均衡,材料本身的形态也对称,则只会发生压缩,不会发生折弯。但自然界的物质,几乎没有完全均质的。
折弯也并不必然会发生,只有当材料的长度和直径之比达到某一水平,或者材料内部物质分布的不均匀程度达到一个所需水平时,应力在中部集中,其受力分布的异常程度能克服材料边界的限制,突破边界的折弯才会发生。
如前所述,流体的液柱是由一个动态的平衡过程来保持其形态稳定的。在物质不断更换的过程里,总会有局部的异常形态出现。有时候是一个气泡,有时候是一个密度较小的团块,
有时候是别的什么。这种内在的异常,破坏了液体内部分子间的引力和液柱重力以及惯性之间的平衡。当这种不平衡的状态,严重到一定的程度时,就会导致折弯的发生。原本处于压
缩状态下的某部分物质,受到侧方向的推挤,向阻力最小的方向释放势能,先加速后减速远离中心轴,随着离开中轴越来越远,分子间的压力渐渐转变成分子间的拉力,这股力量同时也作用在即将落下的液体上。在重力和惯性协同作用下,液柱向反方向开始新一轮的弯折。最下层的液柱,在往复过程中,内部分子在“受压—牵拉”两种状态之间来回转换,形成振动。
表现为在原位的往复打圈。如果以时间为横轴,振幅为纵轴的话,就会形成图1-2所示的波动。
我们先看看这个过程发生在一个平面上时的情形:一股扁平的液柱流淌下来,在横轴方向上,尽管有内部的不均衡存在,但是这种不均衡无法突破较宽的边界限制,更多地表现为压缩形变;而在纵轴方向上,内部不均衡易于突破较窄的边界限制,表现为弯折,形成振动。
正像我们前面说到的,尽管上面实验中横轴具有较宽的边界,但这个障碍也是相对的。一旦液体的黏度足够大,下落的距离足够高,即使是这样的宽度,仍然会形成弯折,产生振动。
当我们将液柱的扁平形态变成最常见的圆柱形,所观察到的过程将不限于一个平面内,变得有点复杂,但是本质保持不变。黏液下落过程中形成的液柱内部因为局部的不均衡受力,导致液柱向某一个方向弯折,形成最初的振动。此振动是在某一个平面内产生的,但在和这个平面垂直的方向看,则没有振动发生,只发生了压缩形变,就像在图1-3左边图片中所看到的。在这个平面上,一旦有新的因素,诱发折弯,就会出现另外一个波动。