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材料力学

泊松比 是什么

横向与纵向应变之比 ν,体积变化 ε(1−2ν),G = E/(2(1+ν))

把橡皮筋拉长,会看见它变长的同时中间变细。只沿一个方向拉开,与它垂直的方向却自己缩短了。这不只是橡皮的事。金属和混凝土,几乎所有材料都这样,只是程度不同。横向的缩短与纵向的伸长之比,叫作泊松比。它是每种材料另有的一个固有常数。效果看起来小,却意外地深,一直连到体积变不变,以及前面见过的 E 和 G 怎样被一个式子捆在一起。这是 A 这条线的最后一块。 横向的缩短,也是同一次拉开的一部分。

先看效果本身。把杆子拉长,变长多少,横向的宽度就悄悄变窄。虚线是原来的形状,拉得越用力就越细。直觉上有点怪。横向上明明没有给任何力,旁边为什么会缩短。把材料看细,原子为了变长而沿轴向分开,横向上却彼此被拉近。要在一边变长,就得从另一边借来厚度。一拉就变窄。这是泊松效应的第一印象。 旁边的收缩,就是第一幅图。

现在给这个效果安上数字。把纵向伸长的应变和横向缩短的应变并排放好。横向是缩短,所以符号是相反的负号。泊松比就是这两者之比再添上一个负号。ν = − εlateralεaxial。添负号,是因为横向应变本来就是负的,好把这个比干净地做成正数。移动纵向应变,纵向一拉长,横向就缩短它的 0.3 倍。这个比始终不变。拉得更用力,比也不变。这个比不是变形的大小,而是材料具有的性质。 这是材料的性质,拉力的大小并不改变这个比。比在材料那一侧。

这里出现一个有意思的问题。一边拉长、旁边缩短,体积会怎样。两者抵消,就保持原样吗。算一算,体积的变化率大约是 ΔVV ≈ ε(1 − 2ν)。移动这个比。普通材料的比小于 0.5,所以一拉,体积会稍稍增加。横向的收缩吃不完纵向的伸长。可是当这个比正好是 0.5,1 − 2ν 就变成 0,体积完全不变。这就是不可压缩。橡皮靠近这里,拉也好挤也好,体积几乎保持原样。这个比不能超过 0.5,也是因为这个。否则一拉,体积反而缩小,那就怪了。

数值每种材料不同。用按钮来换。大多数金属的比在 0.3 附近。钢、铝、铜都差不多。所以题目不给数值时,金属取 0.3 是通常的做法。另一头是橡皮。比接近 0.5,一拉,横向缩得很多,几乎不可压缩。有意思的是软木。比接近 0,拉了旁边也几乎不缩。所以把软木塞推进瓶子时,不会往旁边鼓,很好进去。这个比就这样落在 0 和 0.5 之间。 从头到尾,每种材料都不一样。

最后有一击,说明这个比为什么要紧。前面分别见过拉伸刚度 E 和剪切刚度 G。在各向同性的材料里,这两者并不独立,泊松比把它们捆在一起。G = E(2(1 + ν))。移动这个比,即使把 E 固定住,这个比也会把 G 定下来。像金属那样比是 0.3,G 大约是 E 的 0.385 倍,也就是钢的 E 为 200 GPa 时,G 大约是 77 GPa。靠这个式子,三个里知道两个,剩下的一个就自己出来。E、G 和泊松比,这三个常数其实是只有两个自由度的一家人。到这里,A 这条线,应力与变形的基础,就结束了。

实际应用收束起来,沿一个方向拉开,垂直方向就缩短,那个比就是泊松比 ν = − εlateralεaxial。它是没有单位的材料常数,金属是 0.3,橡皮接近 0.5,软木接近 0。落在 0 和 0.5 之间。一拉,体积按 ΔVV ≈ ε(1 − 2ν) 变化,若 ν=0.5,体积不变,那就是不可压缩。在各向同性材料里,G = E(2(1 + ν)),于是 E、G 和泊松比捆在一个式子里,知道两个就得出第三个。工程里,这个比用于压力容器的横向应力、把杆压进孔时的配合、平面应变的分析。到这里是 A 这条线。从下一讲起,带着这个基础,进入实际拉开一根轴的变形 delta = PLAE。
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