水能切割钢什么原理(水能切割钢板吗?)

流动的水能切割坚硬的钢铁，可以说是以柔克刚的典范。另外，水刀的切割是以“牺牲”大量的水换来的，又可以说是以多欺少的实例。水刀的切割效果，全靠持续谁呀产生的冲击力。下面，我们一起从力学原理的深度，探讨一下。

1、为什么材料会被破坏？——强度理论简介

钢铁和水，强弱对比非常明显。那么如何来衡量这个强弱程度呢？力学上，对于固体材料，应力应变曲线（下图）上的屈服极限、强度极限等都可以作为材料强度的衡量。这些极限说明，只要材料内部的应力不超过这些极限，就不会发生问题。对于破坏来讲，强度极限是一个比较准则。对于失效来讲，屈服极限是比较准则。

真正的强度理论远比上面的描述更加复杂，如果你感兴趣可以关注我的《材料力学》专栏，里面有详细的讲解。常用的强度理论有4个，对于钢铁这类塑性材料，第三、第四强度理论较为适用。但是，这里必须指出，强度理论指的失效，并不一定就发生破坏了。从失效到破坏，还有一段距离。

所以说，只要外载荷引起的物体内部应力达到一定程度，物体就会被破坏。

2、水流的冲击力究竟有多大？——动量定理的应用

物理常识告诉我们，水流的冲击力与水压有关。水压越大，喷口的流速也就越快。实际上，水压只是其中一个因素，喷口流速的大小，还与喷口的尺寸有关。根据伯努利方程，喷口越小，流速就会越大。所以，我们见到的高压水枪的喷口都比较小（如下图），这样才能尽可能提高喷口流速。

只有提高了喷口的流速，造成的冲击力才有可能更大。这里，我用的是“有可能”来描述。因为冲击力的大小，还与被冲击的物体有关。同样的流速，同样的距离下，橡胶和钢铁产生的冲击力不一样。就像我们从高处跳下，在软软的橡胶上会觉得舒服，在硬硬的钢铁上则可能会断腿。根本原因就在于动量定理：mv=Ft。当mv相同的时候，力的作用时间就决定了力的大小。这个时间就是缓存时间，材料的变形时间，与弹性模量有关。更多关于动量定理的解释，可以参考我的《理论力学动力学》专栏。

所以说，水刀能切割钢铁，与钢铁本身较“硬”有关。

3、水与钢铁的作用其实是不对等的消耗——以多胜少

水与钢铁的切割过程中，两者的消耗是不对等的。钢铁被冲击产生破坏，需要时间的积累，而且产生破坏的点也仅仅是水流的冲击点。但是，想要维持这个冲击力，则需要大量的水持续的冲击。

按照这样的消耗，即使是用一张普通的A4纸，慢慢地磨，也能把钢铁磨掉。所以，冲击速度，是为了缩短这个过程，提高效率。就像水滴石穿，冲击速度不快，经验累月，用大量的水，去消耗掉那一点点的石头，下图。

4、水刀与钢铁的相互作用机理——更深层的力学分析

水刀的切割作用机理与磨床类似，与切割刀的作用机理完全不一样。水刀的切割，其实是磨出来的效果。

当水流从喷口流出时，与钢铁的边缘接触到，初始时刻钢铁边缘受到水刀的集中力，表面应力超出极限值，被破坏形成凹坑，下图。水流在凹坑内高速流动，在冲击点附近由于冲击力巨大，持续地摩擦钢铁，这种破坏形式与摩擦损耗一样。水流就这样，一点一滴地“慢慢”蚕食着钢铁，最终把钢铁完全切割开。

采用流固耦合的方法，设定好材料的断裂参数，完全可以将这个过程模拟出来。这样，也就可以为水刀设计提供理论依据。

5、总结

水刀虽然是水，跟钢铁不能比。但是，由于水刀的流速快，形成的冲击力大，当钢铁承受不了这个冲击力的时候，就发生破坏。这种破坏与一般的刀具切割不一样，属于磨损破坏。但是，这个过程需要消耗大量的水。虽然以柔克刚，但是以多胜少。

这很好理解，武侠小说看过吧，摘叶伤人的原理和这个是一模一样的，不在于软硬，而在于介质的速度，天下武功唯快不破，无坚不摧。速度足够快，就带有足够的动能，空中的飞机能被一只鸟把飞机撞个大洞，道理也是一样，飞机相对于鸟来说，速度太快了，撞击的瞬间，产生的巨大冲击力，能量瞬间释放，而且这种释放不像爆炸，能量四面八方散开，而是集中于一点进行释放。

在这一点上，能量可以摧毁一切，也就可以切割钢铁。举个例子，天龙八部中，虚竹把松球扔出去，虚竹以为没啥威力，谁知道软软的松球击中一个人的头上，那个人瞬间毙命，道理也是，因为虚竹内力深厚，发出的松球速度特别快，带有足够大的动能，松球飞行过程中遇到人体阻碍，高速瞬间降低速度，能量释放，将人击毙。