金属材料的速度极限

摘 要：没有任何一种已知物质的运动速度可以达到光速,每一种物质材质应当都有一个确定的速度极限值（实验会给出最终的答案）.为了确定哪一种金属材料更适合于制造“光速飞船”,本文选择下面的实验方法进行测算对比.

关 键 词：速度极限；瞬时速度；金属材料

【中图分类号】G633.8【文献标识码】A【文章编号】1671-8437（2012）02-0116-02

爱因斯坦预言,人如果乘坐上“光速飞船”,时间会倒流,人会返老还童.这也正是千百年来人类的梦想.为了实现这个梦想,现在我们通过实验筛选各种金属材料,看哪一种更适合于制造能让我们返老还童的“光速飞船”.

实验从伽利略的“斜面实验”开始.球a从斜面上滚下,理想状态下——势能完全转化成动能,它应当爬升到对面斜面相同的高度.如果斜面展开,小球将做匀速直线运动,并且一直运动下去.现在,我们在球a的直线方向上放置球b（球b的材质、体积、质量与球a完全相同）.某瞬间,球a与球b撞击,理想状态下,球a停止运动,球b依然按球a的速度做匀速直线运动,就是说,球a的动能完全传递给球b.而在现实情况中,玻璃弹子的撞击会出现另一种情况,撞击的瞬间,球a和球b一只或两只玻璃弹子会碎裂,这是因为动能在两者之间传递时,动能的力量已经超出了玻璃弹子材料自身的结合能的原因.

球a与球b在撞击的瞬间,动能在球a和球b之间传递,在速度较低、动能较小的情况下,动能在两者之间有效传递；随着速度的不断增加,动能会变得很大,动能的传递会变成猛烈的撞击——以动能、热能或其它不同能量形式瞬间表现出来,当这种能量的威力足以克服物质材质自身的结合能时,材质本身就会遭到破坏.当然,材质不同,其分子、原子的结构不同,决定了材质自身结合能的不同.这正是我们这次实验考察的目标——哪种材质自身结合能更强,更适合制造“光速飞船”.

在这里我们只选择一种实验形式进行考察：撞击者是各种金属材质的小球,被撞击的靶子是一个理论上固定不动的刚体,那么撞击的结果就是：动能转化成热能、动能和其它能量形式——如果在速度足够快、动能足够大的情况下,动能将在瞬间完全转化成热能,其它能量形式可以忽略不计.当此热能能够达到材料的熔点,我们就认为,这样的速度已经达到了某材料的破坏点——即材料的速度极限.并且在相反的运动过程中——由静止到运动的瞬时速度达到这个速度极限值,对材料的破坏结果是相同的——它不是运动,而是熔化,不再具有器材的应用价值.通过测算对比不同金属材料的速度极限值来确定哪种材料更适合于制造“光速飞船”.

其实,我们对速度极限的认识十分清楚.普通汽车的速度极限设计在240公里/小时；动车的速度能达到500公里/小时；人的百米速度达到11米/秒；猎豹的奔跑速度90公里/小时.随着科技的发展速度的提高是可能的,但是真正的速度极限是不可能达到的.达到光速的物质将呈能量态,所有物质态的性质将被全部湮灭.

于是我们确定我们的实验方法：金属材质的球a在高速运动的过程中撞击刚性的靶子,动能完全转化成热能,当产生的热能等于球a所用金属材料的熔点的情况下,我们认为,已经达到了这种金属材料的破坏点即速度极限——处于熔化状态的金属材料不再具有器材的使用价值.

检测设球a是铝制品,在撞击时动能完全转化成热能Q,且热能Q能够让铝制球体达到熔点.就是说,单位质量的铝球在达到熔点状态时,所需要的热能是Q.

即Q等于cm△T（式中c是比热容,铝的比热容是880J/（Kg·℃）；m是质量；△T是温差,这里我们取铝的熔点660℃）

就是说：一个单位质量的铝球,达到熔点时所需要的热量是Q,Q等于880×660m.

我们知道,当球a的运动速度为v时,它的动能是：

E等于1/2mv2.如果动能E完全转化成热能Q

那么E等于Q则1/2mv2等于880×660m

v2等于2×880×660则v等于1078m/s

铝球的速度极限值是1078米/秒.

一个以1078米/秒运动的铝制球体撞击刚体,其结果是：铝球在刚体上熔化.

需要特别说明的是相反的运动过程：如果铝制球体处于静止状态,我们用刚体来撞击它,而要求铝球被撞击后的瞬时速度达到1078米/秒.其结果一样：铝球在刚体上熔化.就是说,铝制“飞船”或是弹头,要使其由静止到运动的瞬时速度达到1078米/秒的话,铝体将熔化；如果弹头的话会爆管.金属铝不再具有材料的使用价值.可能有些航天悲剧的产生,就是由于对其金属材料的速度极限值估计不足.

下面是根据以上理论计算的常见金属的速度极限值列表：

就表中所见,在以上所列的十二种常见金属中,镍金属的速度极限值最高为1252.7米/秒；其次是钢1181.7米/秒；速度极限值最低的是铅仅为291.6米/秒（我们完全可以用发射来测定各种金属的的速度极限值）.我的手头上没有那些合成钢材料的比热容和熔点的数据,所以没办法知道它们的速度极限值的数据.但就表中所见速度极限值最高的镍金属而言,才是光速的约二十四万分之一.

现在,我们检测想球a和球b是“光速飞船”上相邻的两个质点,其中球a是首先受到推动力的点.如果要使飞船由静止到运动的瞬时速度达到N/秒,必然有一个动能的作用在a和b之间传递,就像球a与球b在直线上撞击一样,随着速度的增加,撞击的效果会变得十分惊人——就是说,随着速度的增加,对飞船材质的要求会变得十分苛刻,能胜任的材质越来越少.直到最后,没有任何已知的材质可以胜任光速飞船的要求.作为飞船的驾驶者而言,如果由静止到运动的瞬时速度达到100米/秒的话,就是一个坐在椅子上的人也会受到致命的伤害.相当于360公里/小时的汽车所做的的碰撞试验,其结果不难想象.如果由静止到运动的瞬时速度达到1000米/秒的话,很多看起来坚硬的金属材料也会被破坏,那才是光速的三十万分之一.所以,人坐上“光速飞船”返老还童的梦想永远不会实现.