Der atmosphärische Druck entspricht einem Gewicht von 10 Tonnen (etwa 10 durchschnittliche Autos) pro Quadratmeter. So ausgedrückt ist es nicht verwunderlich, dass diese Metalltanks zerknittern.

In den Kommentaren wird jedoch darauf hingewiesen, dass Sie Ihre Fahrradreifen auf 40 psi (ca. 3 atm) pumpen und sie dennoch nicht explodieren. Ich denke, das bringt Ihre Verwirrung auf den Punkt.

Das Zerknittern dieses Tanks führt dazu, dass das Metall eine ziemlich unbedeutende Biegung erfährt. Die Energie, die zum Biegen von Metall benötigt wird (was übrigens natürlich ziemlich weich ist), ist nicht so groß. Während die Energie, die benötigt wird, um es (oder Ihre Fahrradreifen) auseinander zu reißen, wesentlich mehr Energie benötigt. Dies liegt daran, dass im ersten Fall einfach Versetzungen auf atomarer Ebene verschoben werden, während im zweiten Fall atomare Bindungen aufgebrochen werden. Zwei sehr unterschiedliche Prozesse.

Um diesen Punkt zu veranschaulichen, ist es einfach, eine leere Dose Cola zu komprimieren. Aber denkst du, du könntest ein Loch in die Dose reißen?

Wenn Sie die Situation umkehren, sodass der Tank 1 atm Druck enthält und die Außenseite stattdessen das Vakuum ist, explodiert er nicht.

Erstens kann der atmosphärische Druck, wie bereits erwähnt, sehr hohe Belastungen ausüben, wenn er über bedeutende Bereiche integriert wird. Zum Beispiel reicht ein Überdruck von nur 2 psi aus, um viele Häuser zu zerstören und Menschen zu töten. Das sind ungefähr 13% des atmosphärischen Drucks.

Zweitens gibt es eine wichtige Skalenfrage. Sie geben ein Beispiel für einen Fahrradreifen: Ein Rennradreifen wird oft auf 8 bar oder mehr aufgepumpt: Wenn Sie einen Autoreifen auf 8 bar aufgepumpt haben ... nun, nicht. Der Grund dafür ist, dass die Spannung in der Struktur des Reifens wie $ \ mathrm {Druck} \ times \ mathrm {Radius} $ lautet: Größere Reifen haben also linear mehr Spannung bei gleichem Druck und müssten daher linear sein dickere Wände, um dem gleichen Druck standzuhalten.

Schließlich und vor allem gibt es einen enormen Unterschied zwischen dem Verhalten von Strukturen (im Gegensatz zu Materialien) unter Druck und unter Spannung. Dies ist wirklich ein riesiges technisches Gebiet, aber selbst Physiker können sehen, warum es wahr ist. Stellen Sie sich zum Beispiel einen Stahlstab mit 2 mm Durchmesser und einem Meter vor lang: man könnte leicht an einer solchen Stange hängen, weil sie sehr stark gespannt ist. Aber wenn Sie versuchen würden, darauf zu stehen, würde es sofort zusammenbrechen. Dies geschieht, weil sich die Stange unter Spannung im stabilen Gleichgewicht befindet - wenn sie sich etwas biegt, zieht die Spannung sie gerade - während sie bei Kompression viel weniger stabil ist - wenn sie sich etwas biegt, gibt es sie Ein enormer Hebel, der dazu führt, dass er sich weiter biegt und abrupt zusammenbrechen kann. Die Details sind kompliziert und die Ingenieure verbringen viel Zeit damit, Strukturen zu entwerfen, die stark komprimiert und gebogen sind und welche Spannungen in ihnen vorhanden sind, aber die Prinzipien sind leicht zu verstehen.

So sind beispielsweise Reifen nahezu reine Spannungsstrukturen: Ein Reifen würde nicht einmal einen winzigen Überdruck außerhalb des Reifens aushalten.Das Entwerfen von Strukturen, die unter Kompression arbeiten, wie z. B. U-Boot-Rümpfe, ist sehr schwierig und sie sind anfällig für einen katastrophalen Zusammenbruch, wenn ihre Entwurfsstärke überschritten wird.In ähnlicher Weise ist ein Eisenbahnwagen so konstruiert, dass er einen (kleinen) Innendruck unterstützt, der seine Struktur unter Spannung setzt, aber wenn er unter Druck steht, kollabiert er sofort.

Ein Tank ist für Druck von innen und nicht von außen geformt.Der Rumpf des Tanks ist konvex.Durch Druck auf die Innenseite nimmt der Rumpf eine Form an, die das Volumen pro Oberfläche maximiert und zu kugelförmigen oder zylindrischen Formen führt.Dies erfordert nicht viel Steifigkeit: Luftballons haben ähnliche Formen.Der Druck von außen maximiert stattdessen die Oberfläche pro Volumen.Was im Grunde bedeutet, den Tank zu zerknittern: Es ist keine stabile Form anzunehmen.Sie können eine dünne Plastikflasche leicht zerknittern, indem Sie daran saugen (und sie kann dabei sogar zerbrechen).Aber viel Glück beim Explodieren, indem Sie hineinblasen.

Durch das Vakuum im Tank werden die Tankwände einer Druckbelastung ausgesetzt. Die Fähigkeit einer Struktur, Druckbelastung aufzunehmen, hängt von ihrer Stabilität ab. Wenn wir bei einem Kesselwagen die Endkappen ignorieren, wirken die Drucklasten in zwei Richtungen - in Längsrichtung und in Radialrichtung. Der zylindrische Tank ist in Längsrichtung sehr stabil - etwaige Knickkräfte werden auf eine große Materialmenge verteilt. Unter radialer Kompression ist es jedoch nicht annähernd so stabil, da in diesem Modus die Tankwand einfach als flaches Blech wirkt und sich leicht nach innen oder außen knickt, da nichts dagegen ist. Sobald ein solches Knicken beginnt, ändert es die Tankform; kein Zylinder mehr, Kräfte werden unausgeglichen und der Zusammenbruch schreitet voran.

Wenn die Tankwand dick genug ist, bleibt sie unter vollem Vakuum stabil. Wenn die Tankwand zu dünn ist, kann eine ungleichmäßige Beanspruchung (möglicherweise nur aufgrund der Art und Weise, wie sie auf den Rädern abgestützt wird) ausreichen, um ein Knicken auszulösen. Ebenso, wenn die Tankwand defekt oder verbeult ist.

Wenn Sie den Tank von seiner kreisförmigen Seite betrachten, können Sie sehen, wie er sich wie ein Bogen verhalten muss, um die Last des atmosphärischen Drucks zu tragen.Stellen wir uns vor, wir schneiden einen 1 Meter langen Abschnitt dieses Zylinders ab und schneiden den unteren Teil ab, um einen schönen Rundbogen zu erhalten, und überprüfen, wie er funktioniert. Es hat einen Durchmesser von ungefähr 3 Metern und muss daher eine Last von 3 x 1 Meter x 10 Tonnen = 30 Tonnen tragen, die den Bogen flach drehen möchte, indem die beiden Seitenwände gebogen und seitlich herausgedrückt werden.
Dieser Biegebeanspruchung muss durch eine dünne Wand des Tanks (6-8 Millimeter), 4 Millimeter halb unter Spannung und 4 Millimeter unter Druck standgehalten werden.Ich habe eine schnelle Schätzung vorgenommen und es läuft auf 22,5 Tonnen Impuls hinaus, was viel höher ist als der 3-Tonnen-Meter (das grobe Sigma x I / H der Tankwand).

Es gibt zwei Fragen: "Warum zerquetscht Vakuum den Stahltank?" und warum implodiert der Tank? "

Zitrone hat die erste Frage perfekt beantwortet - multiplizieren Sie den Druck von 1 atm mit der Oberfläche des Tanks und Sie erhalten die Kraft, die ihn zerquetscht hat.

Die zweite Antwort ist nicht so einfach. Die Tankwände sind so ausgelegt, dass sie die Druckkräfte (senkrecht zur Oberfläche) in einfache Spannung / Kompression (parallel zur Oberfläche) umwandeln.

Das ist Theorie.

In Wirklichkeit ist die Form nicht perfekt, das Material ist nicht homogen und der Atmosphärendruck sind nicht die einzigen beteiligten Kräfte. Wenn das Material unter Spannung steht, neigen die Hauptkräfte dazu, die Instabilitäten zu antizipieren. Bei Kompression verstärken die Hauptkräfte die Instabilitäten.

Wenn der Tank aufgeblasen ist, nehmen der Spannungs- und Biegemodul die zufällige Verformung der Form vorweg (nur der Radius ändert sich). Beim Evakuieren gibt es nur einen Biegemodul, der die Verformung vorwegnimmt. Bei niedrigem Vakuum ist dieser Modul hoch genug, um das System zu stabilisieren, aber es ist ziemlich leicht zu überwinden. Dann bewirkt eine geringe Verzerrung im Gleichgewicht, dass die gesamte akkumulierte Energie freigesetzt wird.

Abhängig von der Wandstärke können Sie beispielsweise eine Plastikflasche zusammenklappen, die mit dem Mund saugt, aber nicht mit einer Glasflasche.Es gibt einen Asme-Code zur Berechnung der Mindestwandstärke eines Stahltanks.Der Code für den Außendruck unterscheidet sich für den Innendruck, da die Geometrie des Behälters sehr wichtig ist.Flache und konvexe Geometrie kollabieren eher als konkav oder kugelförmig.