La pressione atmosferica equivale a sostenere un peso di 10 tonnellate (circa 10 auto medie) per metro quadrato. Detto così, non sorprende che quei serbatoi di metallo si accartocciano.

Tuttavia, nei commenti aumenti il ​​punto in cui pompi le gomme della tua bici a 40 psi (circa 3 atm) e tuttavia non esplodono. Penso che questo arrivi al nocciolo della tua confusione.

L'accartocciamento di quella vasca implica che il metallo subisca una flessione abbastanza insignificante. L'energia richiesta per piegare il metallo (che, a proposito, è naturalmente piuttosto morbida) non è eccezionale. Considerando che l'energia necessaria per strappare (o le gomme della tua bici) richiede molta più energia. Questo perché il primo caso implica il semplice trasferimento di dislocazioni su scala atomica, mentre il secondo comporta la rottura dei legami atomici. Due processi molto diversi.

Per illustrare questo punto, è facile comprimere una lattina vuota di coca cola. Ma pensi di poter fare un buco nel barattolo?

In effetti, se invertissi la situazione in modo che il serbatoio contenesse 1 atm di pressione, e l'esterno fosse invece il vuoto, allora non sarebbe esploso.

Innanzitutto, come detto, la pressione atmosferica può esercitare carichi molto elevati se integrata su aree significative. Ad esempio, una sovrapressione di soli 2 psi è sufficiente per distruggere molte case e può uccidere le persone. Si tratta di circa il 13% della pressione atmosferica.

In secondo luogo, c'è un'importante domanda sulla scala. Fai un esempio di pneumatico per bici: uno pneumatico per bici da strada viene spesso gonfiato a 8 bar o più: se hai gonfiato un pneumatico per auto a 8 bar ... La ragione di ciò è che la tensione nella struttura del pneumatico va come $ \ mathrm {pressione} \ volte \ mathrm {raggio} $: quindi i pneumatici più grandi hanno linearmente più tensione per la stessa pressione, e quindi dovrebbero avere linearmente pareti più spesse per resistere alla stessa pressione.

Infine e soprattutto c'è un'enorme differenza tra il comportamento delle strutture (rispetto ai materiali) sotto compressione e sotto tensione. Questa è davvero una vasta area di ingegneria, ma anche i fisici possono capire perché è vero. Si consideri ad esempio un'asta d'acciaio di 2 mm di diametro e un metro lungo: potresti facilmente appenderti a una canna del genere, perché è molto forte in tensione. Ma se provassi a starci sopra, crollerebbe immediatamente. Questo accade perché quando la canna è in tensione è in equilibrio stabile - se si piega un po 'la tensione la tira dritta - mentre se è in compressione l'equilibrio è molto meno stabile - se si piega un po' allora c'è una leva enorme che lo fa piegare ulteriormente e può crollare bruscamente. I dettagli sono complicati e gli ingegneri impiegano molto tempo a studiare come progettare strutture resistenti alla compressione e alla flessione e quali sono le sollecitazioni in esse, ma i principi sono facili da capire.

Quindi gli pneumatici, ad esempio, sono strutture di tensione quasi pure: uno pneumatico non sopporterebbe nemmeno una minima pressione positiva al di fuori di esso.Progettare strutture che funzionano in compressione, come gli scafi dei sottomarini, è davvero difficile e sono vulnerabili a collassi catastrofici quando la loro forza di progettazione viene superata.Allo stesso modo un vagone ferroviario è progettato per sopportare una (piccola) pressione interna che mette in tensione la sua struttura, ma quando è in compressione collasserà immediatamente.

Un serbatoio è sagomato per la pressione dall'interno, non dall'esterno.Lo scafo del serbatoio è convesso.La pressione all'interno farà assumere allo scafo una forma che massimizza il volume per superficie che porta a forme sferiche o cilindriche.Questo non richiede molta rigidità: i palloncini hanno forme simili.La pressione all'esterno invece massimizzerà la superficie per volume.Che in fondo significa accartocciare la vasca: non c'è una forma stabile da assumere.Puoi facilmente accartocciare una bottiglia di plastica sottile succhiandola (e potrebbe anche rompersi nel processo).Ma buona fortuna se lo fai esplodere soffiandoci dentro.

L'aspirazione del vuoto nel serbatoio sottopone le pareti del serbatoio a un carico di compressione. La capacità di una struttura di sopportare un carico di compressione dipende dalla sua stabilità. Per un'auto cisterna, se ignoriamo i tappi terminali, i carichi di compressione agiscono in due direzioni: longitudinale e radiale. Il serbatoio cilindrico sarà molto stabile nella compressione longitudinale: tutte le forze di instabilità sono distribuite su una grande quantità di materiale. Tuttavia, non sarà neanche lontanamente stabile sotto la compressione radiale, perché in quella modalità la parete del serbatoio agisce semplicemente come una lamiera piana e si piegherà facilmente verso l'interno o verso l'esterno perché non c'è nulla che resista. Non appena inizia tale instabilità, cambia la forma del serbatoio; non è più un cilindro, le forze si sbilanciano e il collasso progredisce.

Se la parete del serbatoio è abbastanza spessa, rimarrà stabile sotto vuoto totale. Se la parete del serbatoio è troppo sottile, qualsiasi irregolarità nello stress (forse solo dal modo in cui è supportata sulle ruote) potrebbe essere sufficiente per avviare la deformazione. Allo stesso modo se c'è qualche difetto o ammaccatura nella parete del serbatoio.

Se guardi la bombola dal suo lato circolare puoi vedere come deve comportarsi come un arco per sostenere il carico della pressione atmosferica.Immaginiamo di tagliare una sezione lunga 1 metro di questo cilindro e tagliare la parte inferiore per avere un bel arco a tutto sesto e ispezionare come funziona. Ha un diametro di circa 3 metri, quindi deve supportare un carico di 3 x 1 metri x 10 tonnellate = 30 tonnellate che vuole appiattire l'arco piegando le due pareti laterali e spingendole lateralmente fuori.
Questa sollecitazione di flessione deve essere contrastata da una parete sottile del serbatoio (6-8 millimetri), 4 millimetri fuori metà sotto tensione e 4 millimetri sotto compressione.Ho fatto una stima rapida e si riduce a 22,5 tonnellate per metro di quantità di moto che è molto più alta delle 3 tonnellate per metro (il sigma approssimativo x I / H della parete del serbatoio).

Ci sono due domande: "Perché il vuoto schiaccia il serbatoio d'acciaio?" e perché il serbatoio implode? "

lemon's ha risposto perfettamente alla prima domanda: moltiplica la pressione di 1 atm per la superficie del serbatoio e otterrai la forza che l'ha schiacciata.

La seconda risposta non è così semplice. Le pareti del serbatoio sono progettate per trasformare le forze di pressione (perpendicolari alla superficie) in semplice tensione / compressione (parallele alla superficie).

Questa è teoria.

In realtà la forma non è perfetta, il materiale non è omogeneo e le pressioni atmosferiche non sono le uniche forze in gioco. Quando il materiale è in tensione le forze maggiori tendono ad anticipare le instabilità. Quando in compressione le forze maggiori amplificano le instabilità.

Quando il serbatoio viene gonfiato, la tensione e il modulo di flessione anticipano la deformazione casuale della forma (cambia solo il raggio). Quando evacuato c'è solo il modulo di flessione che anticipa la deformazione. Per il basso vuoto questo modulo è sufficientemente alto da stabilizzare il sistema ma è abbastanza facile da superare. Quindi una piccola distorsione nell'equilibirum causa il rilascio di tutta l'energia accumulata.

Dipende dallo spessore della parete, ad esempio puoi far crollare una bottiglia di plastica succhiando con la bocca ma non puoi farlo con una bottiglia di vetro.Esiste un codice Asme per calcolare lo spessore minimo della parete di un serbatoio in acciaio.Il codice per la pressione esterna è diverso per la pressione interna perché la geometria del vaso è molto importante.La geometria piatta e convessa tende a collassare più di quella concava o sferica.