水那么软，为什么能切割钢铁等材料？

流水可以切割坚硬的钢铁，可以说是柔软的典范。另外，水刀切割是以“牺牲”大量水分为基础的，可以说是多欺少的例子。水刀的切割效果完全取决于连续操作产生的冲击力。下面，我们从力学原理的深度来讨论。

1.为什么材料会损坏？——强度理论简介

钢和水，强度对比非常明显。那么如何衡量这种强弱程度呢？从力学上讲，对于固体材料，应力-应变曲线上的屈服极限和强度极限(如下)可用作材料强度的量度。这些极限表明，只要材料内部的应力不超过这些极限，就不会出现问题。对于失效，强度极限是一个比较标准。对于失效，屈服极限是比较标准。

真正的实力理论远比上面描述的复杂。有兴趣可以关注我的《材料力学》专栏，里面有详细的讲解。常用的力量理论有四种。对于钢等塑性材料，三、四强度理论更合适。但是这里必须指出，强度理论的失败不一定意味着毁灭。从失败到毁灭还有很长的路要走。

所以，只要外荷载引起的内应力达到一定程度，物体就会被破坏。

2.水流的影响有多大？——动量定理的应用

物理知识告诉我们，水流的影响与水压有关。水压越大，喷嘴的速度越快。其实水压只是其中一个因素，喷嘴的速度也和喷嘴的大小有关。根据伯努利方程，喷嘴越小，速度越大。所以我们看到的高压水枪的喷嘴都比较小(如下图所示)，尽量提高喷嘴速度。

只有提高喷嘴的速度，冲击力才能更大。这里，我用“可能”来形容。因为冲击力的原因，也和被冲击的物体有关。在相同的速度和距离下，橡胶和钢材的冲击力是不同的。就像我们从高处跳下，在软橡胶里会感觉很舒服，在硬钢里可能会摔断腿。根本原因在于动量定理：mv=Ft。当mv相同时，力的作用时间决定了力的大小。这个时间就是缓冲时间，和弹性模量有关。关于动量定理的更多解释，请参考我的专栏《理论力学动力学》。

所以水刀可以切钢，这和钢本身“硬”有关。

3.水和钢铁的作用实际上是消耗不平等，33，354赢多赢少

在水和钢的切割过程中，两者的消耗是不相等的。钢材被撞击损坏需要时间积累，损坏点只是水流的撞击点。然而，为了保持这种冲击力，需要大量的水来持续冲击。按照这个消耗，就算是用一张普通的A4纸，慢慢磨也能把钢磨掉。所以冲击速度是为了缩短流程，提高效率。就像一滴水穿透了石头。冲击速度不快。经过多年的经验，大量的水被用来消耗一点点的石头。

4.水刀与——钢相互作用机理的深层力学分析

水刀的切削机理与磨床相似，但与刀具完全不同。水刀切割实际上是研磨的结果。

当水从喷口流出时，它与钢的边缘接触。在初始时刻，钢的边缘受到水刀，的集中力，表面应力超过极限值，并被破坏形成凹坑，如下图所示。水在坑内高速流动，由于巨大的冲击力，钢材在冲击点附近不断被摩擦，这和摩擦损失是一样的。就这样，水“慢慢”啃噬着钢材，最后把钢材完全切开。

采用流固耦合的方法，设置材料的断裂参数，可以完全模拟这一过程。这样，可以为水刀的设计提供理论依据。

5.摘要

虽然水刀是水，但它比不上钢铁。然而，由于水刀，速度很快，冲击力很大。当钢铁承受不了这种冲击力时，就会被破坏。这种损伤不同于普通刀具，属于磨损损伤。但是，这个过程需要消耗大量的水。虽然我们可以用柔软克服困难，但我们可以用更多来克服困难。

水压很小，故我们感觉水是“软”的， 如果通过高压泵，水流的速度很快，每秒可达上千米，此时喷出的水流具有很高的动能，可以用来代替金属刀片作较精密的切割，就连切割钢板也是削铁如泥。

因为水虽然很软，但如果水的速度到达了一定的极限之后，它是可以切割钢铁等材料的。原因是力本身是带有能量的，我们要动态地看，不能静态地看。

因为水通过高速运动之后是可以切割钢铁的，再加上水里面加了一些细小的铁屑。