مگر در هر فرمولی که من یک عدد ثابت باشد دیگه به اون وابسطه هست .من گفتم از نظر هیدرو استاتیک کره پایدارترین هست.[چرا کره برای یک حجم مشخص سطح را به حداقل می رساند؟واحدهای کشش سطحی [N / m] = [J / m2] است ، به این معنی که کشش سطحی می تواند به عنوان هزینه انرژی ایجاد سطح اضافی تفسیر شود. هر شکلی را در تعادل تصور کنید. قبل از رسیدن به تعادل جدید ، افزایش سطح آن نیاز به ورودی انرژی دارد تا بر نیروهای کششی سطح غلبه کند.
اکنون به ازای هر حجم ، سطح یک مکعب از ضلع $a_c = \frac{6s^2}{s^3} = \frac{6}{s} $ است در حالی که یک کره شعاع r برابر است با$ a_s = \frac{4\pi r^2}{\frac{4}{3}\pi r^3} = \frac{3}{r}$. بنابراین برای حجم های برابر $s^3=\frac{4}{3}\pi r^3\rightarrow \frac{s}{r} = \sqrt[3]{\frac{4}{3}\pi} $ در می یابیم:$\frac{a_s}{a_c} = \frac{1}{2}\frac{s}{r} = \sqrt[3]{\frac{\pi}{6}}<1 $
رویکرد هندسی: هر نقطه از سطح یک کره در یک فاصله مساوی (برابر با شعاع) از مرکز است که منجر به حداقل سطح برای یک حجم معین می شود. این را می توان با مقایسه سطح یک کره با هر شکل هندسی دیگر برای یک حجم معین تحلیلی اثبات کرد.برای مثال ، بیایید سطح یک کره و یک مکعب را برای یک حجم معین ، مثلاً V قطره مقایسه کنیم ،برای کره شعاع r میشه $ \frac{4\pi}{3}r^3=V\implies r=\left(\frac{3V}{4\pi}\right)^{1/3}$سطح کره $ \color{red}{S_1}=4\pi r^2=4\pi\left(\frac{3V}{4\pi}\right)^{2/3}=\color{red}{\left(\frac{9}{2\sqrt \pi}\right)^{1/3}V^{2/3}\approx1.36 V^{2/3}}$برای مکعبی با طول لبه a سطح مکعب $\color{blue}{S_2}=6 a^2=\color{blue}{6V^{2/3}} $
با مقایسه سطح ، S1 <S2 یعنی یک سطح کره کوچکتر از یک مکعب برای یک حجم معین است به همین ترتیب ، می توان سطح یک کره را با هر شکل هندسی دیگر مقایسه کرد.
از نظریک جامد ، مانند یک کره ، یک ساختار غیرقابل تعیین است. ممکن است (اغلب وجود داشته باشد) شامل تنشهای داخلی باشد و اینها می توانند فشار در فضای داخلی باشند (یا انواع دیگر شرایط).
می توان ساختاری را ایجاد کرد که دارای فشار منفی در مرکز باشد ، (در حالت کشش) به تمام سطح آن ماده بچسبد.
سوال جالب تنها منبع فشار در مرکز کره جامد به دلیل نیروی جاذبه کره است. با استفاده از معادله تعادل هیدرواستاتیک برای مایعات: و با ادغام آن می توان به مرکز رسید فرمول حد بالای فشار که برای محاسبه فشار مرکزی در ستاره یکسان است:${\frac {dP}{dr}}=-{\frac {GM(r)\rho (r)}{r^{2}}} $و $P_{central} = \frac{5\,G \, m^2}{4 \, \pi \, R^4} $
البته این یک تخمین بسیار نادرست و خام از حد فشار فوقانی است. برای مرکز زمین به ترتیب . فشار واقعی در مرکز زمین به ترتیب . احتمالاً این خطا از این واقعیت ناشی شده است که معادله از تعادل هیدرواستاتیک در مایعات گرفته شده است ، که البته با مواد جامد خیلی مناسب نیست.
بزرگترین ساختار فضایی "توخالی" که می تواند ایجاد شود چیست ما می توانیم یک کره را به صورت مجموعه ای از لایه ها تخمین بزنیم که هر کدام برای تحمل وزن خود طراحی شده اند. از نظر تحلیلی ، ما با آنها بی نهایت نازک رفتار می کنیم ، اما با فرض اینکه لایه های پایین تری داریم ، دیگر نگران کمانش نیستیم. ممکن است از نظر ساختاری انتقال برخی از بارها به سمت پایین منطقی باشد ، اما پس از آن ریاضیات حالت موی بیشتری پیدا می کند. وجه مثبت این رویکرد این است که فضای داخلی سازه کمتر از مواد پر شده است.
آنچه ما باید انجام دهیم این است که فرمول تنش را در یک پوسته نازک در وزن خود قرار دهیم ، و برای چگالی و مقاومت پایین شبکه اصلاح کنیم.نیروی F که بر روی قطعه ای از اندازه A خارجی $ F = A \rho t G \rho \frac{4}{3} \pi$ توجه داشته باشید که چگونه ρ وارد قسمت چپ می شود - وزن عنصر پوسته - و قسمت راست - گرانش کل - سمت راست. اگر با تقسیم A را به سمت چپ حرکت دهیم به نوعی فشار وارد شده بر پوسته می رسیم. تنش حلقه ای در مخزن تحت فشار با $ \sigma = \frac{Pr}{2t}$ داده می شود ، این رابطه در اینجا نیز وجود دارد ، فقط فشار فشاری (نه فشار کششی). برای استرس در پوسته نهایی ما به:$ \sigma = \frac{2}{3}G \rho^2 r^2 \pi$
محدودیتی که همیشه با شماست مهم نیست از کدام ماده استفاده می کنید ، میدان جاذبه است. اندازه آن توسط قضیه شار گاوس برای گرانش بازدارنده است . اساساً می گوید شار از طریق سطح بسته متناسب با جرم داخل این سطح بسته است. سپس با توجه به کروی بودن شکل ساخت و ساز ، می توان شتاب گرانشی سطح (یا داخل) ساخت را محاسبه کرد:$
\begin{gather}
g(r) = -\frac{GM}{r^2},\ M = \rho V = \rho \frac{4\pi r^3}{3} \\
g(r) = -G\rho \frac{4\pi r}{3}
\end{gather}$با دانستن شتاب ، می توان وزن اجسام سطح ساخت را محاسبه کرد. سپس می توان فشار ساختارهای "بالا" به ساختارهای "پایین" را محاسبه کرد:$P = \frac{m_u \cdot g(r_c)}{S} $
جایی کهP: فشار از سازه های فوقانی به سازه های پایین ترmu: جرم سازه های فوقانیrc: مرکز جرم ساختار فوقانیS: سطح تماس
سپس برای جلوگیری از شعاع بحرانی سازه ، باید معادله را با توجه به شعاع ساختار r حل کرد ، در حالی که در سمت چپ فشار بحرانی است که ضعیف ترین ساختار سقوط می کند. در حالت متقارن کروی ، ضعیف ترین نقطه جایی کم است ، زیرا بیشترین فشار را به آن وارد می کند.: توزیع استرس به عنوان استرس هرتزیان شناخته می شود.
از آنجا که بستر (سطحی که کره روی آن قرار گرفته است) و کره خود هر دو دارای یک مدول الاستیک محدود هستند ، سطوح تغییر شکل داده و سطح تماس واقعی دایره ای از اندازه محدود خواهد بود. توزیع تنش (به عنوان تابعی از شعاع) از قانون درجه دوم پیروی خواهد کرد (به عنوان تابعی از فاصله از مرکز وصله تماس).
از پیوند بالا ، چند نتیجه اصلی. اول ، شعاعآ از منطقه تماس برای یک کره (شعاع R ، مدول الاستیک) E1، نسبت پواسون $ \nu_1$ در صفحه ای با مدول الاستیک E2 و نسبت پواسون $ \nu_2$ وقتی تابع نیرو شد F (که ممکن است فقط وزن کره باشد) توسط داده می شود $a = \sqrt{\frac34 FR\left(\frac{1-\nu_1^2}{E_1}+\frac{1-\nu_2^2}{E_2}{}\right)} $لذا فشار میشه $P_0 = \frac{3F}{2\pi a^2} $توزیع فشار با فاصله شعاعی توسط داده می شود$ P(r) = P_0 \left(1-\frac{r^2}{a^2}\right)$به شکل توجه کنید

فکر کنم متوجه شدید چرا اجسام کره ای بیشترین پایداری را دارند