Question

材料力学实际问题

冬天的水管经常被冻裂，用强度理论解释为什么是水管被冻裂而不是冰被压碎。

Answer 1

这个问题的物理原理相信你已经很清楚：水结冰的体积膨胀和水管的热胀冷缩。
首先要补充说明结冰现象：水的相平衡（结冰与融化）是温度与压力共同决定的，压力增大时凝固点会降低。试想装满水的水管中水的冻结过程：温度下降，水结冰并体积膨胀，压力增大冰点下降，温压平衡停止结冰，水管的刚度这就说明水在水管中的相变是一个随着水的冻结量的大小、水管与冰的形变而趋于平衡的过程。当水管壁厚与内径比很小时，水的相平衡压力作用到水管内壁后使水管的应力可能超过极限应力时或应变超过极限应变，此时水管就会发生破坏。而另一方面，当水管壁厚与内径比无穷大时，也就是说水管刚度无穷大时，水稍一结冰就会引起压力的巨变，因此这种情况下就不能结冰了。
总结起来可以这么简单的说：由于温度下降导致的结冰过程中，水管中的压力变化只能阻止结冰的继续进行，而不能压碎冰。但水管在一定条件下是可以爆裂的（取决于壁厚管径比）。
希望我表述清楚了，如仍有疑问欢迎一起讨论

Answer 2

是内部冰形成的径向应力和环向应力使水管冻裂。