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1926年用材料的观点看生物组织

Edgar Wöhlisch(1890~1960)曾在早期的橡胶热弹性研究文献中出现过。他本是一名医生和生理学家。在1926年的关于生物组织的物理性质论文开头,他这样说:

Verh. Phys. Med. Ges. Würzburg (N. F.), 1926, 51, 53

英文翻译:While engineers are usually very well acquainted with the physical properties of the materials they use, we today know astonishingly little in this respect about the substances that make up the animal body. Helping to fill this gap is one of the aims of the investigations I would like to report on briefly here, which I have carried out in the course of recent times, in part jointly with Dr. du Mesnil.

这其实是一种以材料学的视角看待生物组织的观念。在1920年代,材料科学与工程学科还没有正式建立(以1974年的COSMAT报告为标志),所以更准确地说是以工程师的视角来看待生物组织。

也正是在各类动物肌肉、韧带的热弹性研究当中,Wöhlisch是最早报道溶胀软固体的负内能贡献的研究者了。这在50年代末,与研究理想交联网络的溶胀热力学的Flory–Rehner理论起了冲突。Flory本人也是很早就对生物大分子感兴趣,跑去研究弹力素(elastin)的凝胶。不知道为什么,Flory和他的门徒(Hoeve、Ceferri、还有James E. Mark)非常坚信高分子网络跟溶剂没有什么更多的贡献,他们一直挑别人在热力学分析上的毛病,比如忽略了恒容和恒压过程相差的pVT响应项,忽略了溶胀度的变化等等。这个争论前后搞了30年,传统高分子材料已经基本工业化,大家都对这些细节不太感兴趣了。最后只剩James E. Mark还在那里发表,再然后就不了了之了。倒是生物那边的人继续研究弹力素,发现它是个LCST体系,在水中有疏水作用。这种的,在今天已经知道会显示负的内能贡献的。

Wöhlisch是“劣迹科学家”。他于1937年5月1日加入纳粹党(党员编号5119936)并隶属“冲锋队”。1938年,他多次向纳粹当局举报其助手奥托·赫特(Otto Hett, 1913–1944),指控这名准医生骗取希特勒青年团(HJ)荣誉勋章、声称“将前往俄国”、保持可疑的海外关系、发表反对纳粹政权的言论。赫特随即被捕,并在住宅搜查中发现两封定罪信函副本。其一致时任国务枢机卿欧金尼奥·帕切利(Eugenio Pacelli,即后来的教皇庇护十二世),信中提及德国天主教徒的悲惨命运。其二致毕尔巴鄂德乌斯托高等研究学院(Colegio de Estudios Superiores Deusto),控诉其因宗教和政治立场在德国年轻医生群体中缺乏生存空间。1939年6月5日,班贝格特别法庭(Sondergericht)以两项违反《恶意法案》(Heimtückegesetz)的罪名判处奥托·赫特14个月监禁。刑满后,他被关入达豪集中营(KZ Dachau),1941年12月8日转移至卢布林集中营(囚犯编号15)。1944年7月,赫特在集中营担任囚犯医生,因在难友中享有正直者与医者的声誉而遭杀害。

战后,维尔茨堡仲裁庭(Spruchkammer)与检察院展开调查。根据弗莱堡大学神经科诊所主任库尔特·贝林格(Kurt Beringer)及慕尼黑路德维希-马克西米利安大学精神病学与神经学正教授维尔纳·瓦格纳(Werner Wagner)出具的专家鉴定,结论认为埃德加·沃利施无需为其举报赫特的信件承担责任,因其当时暂时处于无行为能力状态。

橡胶热机

《费曼物理学讲义》中介绍热力学的部分,设计了一个橡胶热机。

许多人复刻这个设计。YouTube上有很多视频了。比较值得注意的是Karlsruhe Institute of Technology做的原型,功率十分可观。

我一直以为,这个轮子的橡皮筋连到内圈上的位置是偏心的,以便当冷热两面皮筋张力有差异的时候,能制造出力矩不平衡,导致转动。但是这个帖子却介绍说,连接位置仍是中心对称的,造成不平衡的是外框形变程度不同,使得重力不平衡。

实际上比讲义(1960年代) 更早时,就已经有人利用橡胶的显著热弹性设计热机了,那就是Wiegand和Snyder的橡胶单摆[1]。其中一个模型在1933年芝加哥世博会连续运行了150天。

Wiegand的单摆

费曼的那种轮子设计,其实已经由Wiegand于1925年报道过。这个轮子是水平的。可以看到皮筋是以中心对称的位点连到内圈的。但注意到轮框是固定的,但内轴是曲辊,所以皮筋的张力差异能使曲辊旋转。而这种差异的周期变换需要外框相对蜡烛的旋转来实现。

Wiegand, 1925

50年代,生物体的弹性结缔组织(如筋腱)与橡胶弹性的相似性引起了一股研究热潮(Flory也陷到这里面去,争吵一直到他去世之后,这个以后再找时间写),因此也有人考虑过用筋腱做热机的想法[2]。R. Hayward在1956年5月的科学美国人上也展示了竖直轮的设计。Cox也报道[3]了竖直的轮子设计。这些报道清楚地表示这种设计是靠重力不平衡,不是靠我猜测的偏心扭矩不平衡。

50年代,

大概在费曼物理学讲义的同年,加州大学的劳伦斯辐射实验室的Paul. B. Archibald也做了一个热机,由C. L. Stong在《科学美国人》1971年4月作了介绍。同一篇文章也介绍了Wiegand的设计。

Wiegand’s inspiration to construct a rubber engine came one afternoon in 1920 as he was lecturing to a group of students at McGill University. He later gave the following account: “To demonstrate the Joule effect, I strung a bundle of rubber bands from the high ciling of the lecture room and by a weight stretched them to 500 per cent elongation. When a battery of Bunsen burners was placed beneath the stretched rubber, the weight leaped upwards; when the burners were removed, the weight sagged. The students seemed impressed by seeing heat induce contraction. I shared their interest, but in addition I also saw Carnot’s cycle: the reversible cycle in which heat is absorbed at high temperature and discharged at high temperature and discharged at a lower temperature. Here, I thought, is a potential heat engine. Subsequently I shared my hunch with a collaborator, H. F. Schipple, who was endowed with mechanical genius. As a result we constructed two heat engines, one reciprocating (in the form of pendulum) and the other rotating-a rubber motor”

Wiegand, 1920

在费曼之后,也有一些与Wiegand (1925) 设计类似(轮子)的热机报道[4]

References

  1. W.B. Wiegand, and J.W. Snyder, "The Rubber Pendulum, the Joule Effect, and the Dynamic Stress-Strain Curve", Rubber Chemistry and Technology, vol. 8, pp. 151-173, 1935. http://dx.doi.org/10.5254/1.3539424
  2. M.G.M. PRYOR, "Heat Exchanges of a Muscle Model", Nature, vol. 171, pp. 213-213, 1953. http://dx.doi.org/10.1038/171213a0
  3. E.G. Cox, "A heat engine run by rubber", Journal of Chemical Education, vol. 31, pp. 307, 1954. http://dx.doi.org/10.1021/ed031p307
  4. J.G. Mullen, G.W. Look, and J. Konkel, "Thermodynamics of a simple rubber-band heat engine", American Journal of Physics, vol. 43, pp. 349-353, 1975. http://dx.doi.org/10.1119/1.9852