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材料力学

应力是单位面积上的内力

在虚拟切面上每块面积承受的内力,σ = P / A

一根杆正被两端拉着。从外面看,你只看到两端的两个力。可杆的内部呢?每一个横截面都在原样承受着那个力。要真正看见它,你就把杆虚拟地切一刀。切开的面上,把两边连在一起的内部的力,也就是内力,露了出来。应力就是:在这个切面上,每一小块面积承受多少内力。不是力本身,而是力的密度。这一个视角,就是整个材料力学的起点,也是同样的载荷为什么先从细的地方断的原因。

先把杆拉一拉。拖动 P,杆就伸长,拉得越用力伸得越多。这就是拉伸:两端朝相反方向被拉开。墙抓住了一端,墙也用同样大小的力拉回来,这叫反力。现在只要找到感觉就行:一个力正穿过这根杆,杆在抵抗它。那个抵抗着的内部,下一幕我们就打开来看。

现在,在心里把杆切一刀,就一刀。不是真的切,而是想象,如果在这儿切会怎样。只取切下来的右段来看:P 在它端头拉着,可这段并没有飞走。因为在切面上,左段一直用同样大小的力拉住它。这个拉住的力就是内力。拖动切面挪动位置看看。无论在哪儿切,内力总等于 P。外力就这样直直地穿过杆的内部。这个虚拟切断,是看见内部的唯一办法。

就算内力相同,杆是粗是细,内部情况也大不一样。内力 P 由整个横截面分担,所以面积越大,每一小块承担的份额越小。这个每块的份额就是应力。σ = PA。拖动截面积 A 看看。P 不变,可 A 一变大颜色就转蓝,表示低应力,一变小就转红,表示高应力。所以同样地拉,细的部分先变危险:应力只在那里飙升。决定会不会断的,不是力,而是应力。

力怎样作用在切面上也很要紧。有两种。力垂直于面作用时,把面直直地拉开或压拢。这就是正应力 σ:拉是拉伸,压是压缩。反过来,力沿着面平行作用时,把面错动滑开。这就是剪应力 τ。用按钮在两者间切换看看。正应力把两块拉开,剪应力把两块错着推。两者都是力除以面积,但方向不同,所以材料抵抗的方式、破坏的样子也不同。螺栓或销子被剪断时,通常就是这个剪在作怪。

接下来是单位的感觉。应力是力除以面积,所以单位是 N/m²,我们叫它帕斯卡 Pa。但帕太小了,工程上用它的一百万倍,兆帕 MPa。值得记住的一条:1 MPa = 1 N/mm²。一平方毫米上一牛顿。拖动 P 拉钢棒,看 σ 落在刻度的哪儿。大气压大约 0.1 MPa,混凝土是几十 MPa,钢屈服在 250 MPa 上下。给数字附上这种位置感之后,一眼就能看出计算结果是否合理。

实际应用总结一下:应力是在虚拟切面上每单位面积承受的内力。σ = PA。外力直直地穿过杆,所以内力处处都等于 P,把这个内力除以横截面积,就是应力。力垂直于面是正应力 σ,沿着面平行是剪应力 τ。单位是 MPa,而 1 MPa = 1 N/mm²。在工程里判断零件扛不扛得住,永远看应力,不看力。因为同样的载荷下,应力会在截面窄的地方、孔的周围、有台阶的拐角处猛涨,破坏就从那里开始。下一讲,我们顺着这个拉伸到底把杆伸长了多少,接到应变上去。
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