现在让我们来考虑一种完全不同的物理情况,不过它会再次给出相同的方程。设有一橡胶薄层——一张膜——铺在一个大的水平构架上而被拉紧(如一张鼓膜)。现在假设这张膜的一处被顶起,而在另一处被压下,如图12-3所示。对于这个表面的形状我们能够加以描述吗?即将表明,当膜的挠曲程度不太大时,这一问题如何才能解决。
图12-3 一橡胶薄层铺在一个筒形构架上而被拉紧(如一张鼓膜)。如果在该薄层A处被顶起,而在B处被压下,这个表面是什么形状?
由于膜被拉紧所以在膜内就会有力存在。要是在任一处造成一条小裂缝,则裂缝两边就会彼此互相拉开(见图12-4)。可见在薄层内有一种表面张力 ,如同拉紧弦线中的一维张力。对于如图12-4所示的那样一条裂缝,刚刚能够把缝的两侧拉在一起的单位长度 的力,我们定义为表面张力,其大小为τ。
图12-4 一张绷紧了的橡胶薄层,其中表面张力τ为垂直于一条线的单位长度的力
现在就来观察膜的一个垂直截面。它将表现为一个弯曲截面,如图12-5所示。设u为膜离开其正常位置的垂直方向位移,而x和y则分别代表水平面上的两个坐标(图上所表示的截面平行于x轴)。
图12-5 被挠曲了的膜片的横截面
试考虑长度为Δx而宽度为Δy的一小块表面。由于表面张力,所以将会有作用于该小块表面每一边的力。图上边缘1上的力将是τ1 Δy,其方向与该表面相切——也就是与水平线成θ1 角。边缘2上的力将在角θ2 的方向,为τ2 Δy(还有作用于该小块表面其他两个边缘上的相似之力,但这些我们暂不予理会)。从1与2两个边缘作用于该小块表面上的向上 的净力为
ΔF=τ2 Δysinθ2 -τ1 Δysinθ1 .
我们将只考虑膜的小畸变,也就是小斜率 范围。于是,sinθ便可用tanθ来代替,而tanθ又可写成∂u/∂x。因而力为
在方括号内的量也同样可以写成(对于小Δx而言)
作用在其他两个边缘上的力对ΔF也将有贡献,所以总力显然是
该鼓膜之挠曲是由外力引起的。让我们设f为由外力 引起的膜上单位面积 的向上 的力(一种“压强”)。当该膜处于平衡状态(静止 情况)时,这力必须被刚才所算出的内力即式(12.16)平衡掉。也就是说,
于是式(12.16)便可以写成
f=-▽·(τ▽u). (12.17)
其中,▽目前所指的当然是二维的梯度算符(∂/∂x,∂/∂y)。我们就有一个把u(x,y)和所施力f(x,y)以及表面张力τ(x,y)——一般来说,膜中的τ是可以逐点改变的——联系起来的微分方程(一个三维弹性体的畸变也由一组相似的方程所支配,但我们将专注于二维的情况)。我们将仅仅关心表面张力τ在整张膜中为常数的那一种情况。于是,可以将式(12.17)写成
(12.18)
这样就有另一个与静电学相同的方程了!——只是这回限制在二维上。位移u对应于ϕ,而f/τ对应于ρ/∈0 。所以无论是对于无限大的平面带电板、或两平行长导线、或带电的圆筒形导体,我们所做过的一切工作,均可直接应用到一张绷紧的薄膜上。
假设我们在膜的某些点上将膜推到一定高度 ——也就是说,在某些点上把u值固定下来,这就是在电的情况下,在各对应地方有一个特定势 的一种模拟。因此,比如我们可以用一个与筒形导体对应的截面形状的物体把膜推上去,因而形成一个正“势”。例如,若我们用一根圆棒把膜推上去,该表面便将如图12-6所示的形状。高度u与一带电圆棒的静电势ϕ相同。它是按ln(1/r)下降的(其斜率 ,对应于电场E,将按1/r下降)。
图12-6 一张绷紧的橡胶薄层用一根圆棒推上去时的横截面。函数u(x,y)与在一根很长的带电棒附近的电势ϕ(x,y)相同
一张绷紧的橡胶薄层,往往用来作为一种从实验上解决复杂的电学 问题的途径。这里,模拟是倒过来用了!各种不同的棒和杆被用来把膜推至对应于一组电极的势的高度。此后,对高度的测量就能给出在电情况下的电势。这一种模拟甚至被发展得更远。如果将一些小球放在膜上面,它们的运动会近似地对应于电子在相应电场中的运动。人们能够实际上观看 到“电子”在其轨道上运动。这一方法曾被用来对许多光电倍增管(诸如那些用在闪烁计数器上的,以及那些用于控制卡迪拉克牌汽车的车前灯光的)的复杂几何图形进行设计。这一方法目前仍被采用,但其准确度却是有限的。对于最准确的工作,更好的是通过数值计算法,即利用大型电子计算机把场求出来。