我们常常把橡皮筋和弹簧看成具有相似的性质,甚至用橡皮筋来做简易“弹簧秤”。但是仔细研究一下,橡皮筋没有那么简单。
第一个实验,我们来拉伸橡皮筋并测量拉力和拉伸距离的关系,见图,拉得越开,力量越大,但是,回缩时在同样的距离点上,拉力变小了!是不是橡皮筋疲劳了或变松了,再做一次实验,结果还是一样!


第二个实验,我们把橡皮筋(越宽越好)放到鼻子尖上感觉一下,迅速拉伸橡皮筋,再感觉一下,发现是温热的。保持拉伸状态,等橡皮筋和环境温度平衡,迅速还原橡皮筋,再放到鼻尖上感觉一下,会发现是凉的。为什么橡皮筋拉伸和还原会伴随升温和降温的现象呢?
爸爸看了许多网上的解释也问了别人,但是这些解释几乎都用到熵,自由能等概念,复杂到难于理解。以前我们讲过,好的理论应该是简单的,好的解释应该是符合直觉的。那么我们能不能用昨天学到的功,热,和能量守恒来解释呢?
橡胶是很多丝状长条分子交织在一起形成的。这些长条分子的片段仍然可以在一定范围内跑来跑去,碰来碰去,和热运动一样。我画了一张草图,把橡胶分子结构大大简化了,并且把可以运动的片段简化成在格子里自由跑动的分子。

拉伸变热的解释。在没有拉伸的情况下,自由运动片段向各个方向撞击,扯动,达到力和热的平衡。当我们拉伸时,交联的格子向内挤压,格子对跑动片段的挤压加速了片段的无规则热运动,使得橡皮筋变热。
还原变冷的解释。什么使得橡皮筋具有还原到原来形状的能力呢?和原始状态相比,拉伸以后,这些片段运动时对两边的撞击的机会更多,对两头撞击的机会更少,这些片段的运动的效果就是要把橡皮筋“撑回”原来无外力时平衡的形状。而在运动分子撞击格子复原的时候,分子的速度减少了,分子动能降低的结果就是温度降低。
再来看看这个橡胶分子片段热运动撞击理论能不能解释第一个实验,拉力在拉伸和回缩的时候为什么不一样?拉伸时,温度升高,分子撞击更严重,回复原形状的趋势越强,所以我们测出的力更大。在到达最长距离时,我们停留了一会儿,由于散热,我们可以观察伴随着温度降低拉力在变小。温度变低,意味着分子不积极地去推动交联格子,回复能力比温度高时来得弱。在距离等于10和5时,同样较低的温度对应较低的拉力。
这只是我们的一个理论,目前很好地解释了两个实验,一个是关于拉力的不一致,另一个是关于温度的变化。小朋友们提出,我们能不能用这个原理做一个冰箱呢?这是一个好问题,也许大家可以帮助计算这个有没有可行性,或者帮助设计这样的一个橡皮筋冰箱。
