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材料力学

应力 是什么

在虚拟切面上每块面积承受的内力,σ = P / A

一根杆正从两边被拉开。从外面看得见的,只有两端的两个力。可是杆子里面,每一个截面都在原样撑着那个力。要看见里面,得在想象里把杆子切一刀。切面上露出本来连着两边的内部的力,也就是内力。应力,就是那个切面上面积的一小块所撑的内力。它不是力本身,而是力的密度。这一个看法,是材料力学全部的起点。同样的力先从细的地方断开,原因就在这里。 细的截面在同样的力下先碰到极限。

先把杆子拉开。移动 P,杆子就伸长,拉力越大,伸得越多。这就是拉伸,两端彼此反向拉开的状态。墙抓住一端,所以墙也用同样的大小拉回来,这叫反力。现在只要抓住感觉就够了。力正穿过杆子,杆子在那里撑着。下一幕把撑着的内部打开。 撑着的力已经在杆子里面。

现在在心里把杆子切一刀。不是真的切开,而是想象如果在这里切开会怎样。只看切下来的右段,端部有 P 在拉,可是这一段并不飞走。因为切面上,左段正用同样的力抓着它。这个抓着的力就是内力。把切面挪动,无论切在哪里,内力总是等于 P。外力正原样贯穿杆子的内部。这种想象的切断,就是看见内部的办法。 切开的位置变了,里面的力还是一样。

同样的内力,杆子是粗是细,内部的情形并不一样。内力 P 由整个截面分着撑,面积宽,一小块分担的就少。那一小块的分担就是应力,σ = PA。移动截面积 A,P 不变,A 变宽时颜色走向低应力,变窄时走向高应力。同样去拉,细的部分先变得危险,因为只有那里应力窜高。会不会断,决定的不是力,而是应力。 面积把一小块的分担分开。宽了就轻,窄了就重。

力怎样碰到切面也很要紧,岔路有两条。力垂直于面,就把面正着拉开或压上,这是正应力 σ。拉开是拉伸,压上是压缩。力沿着面平行,就把面滑开,这是切应力 τ。用按钮换这两者,垂直把块拉开,剪切把块错着推。两者都是力除以面积,可是方向不同,材料撑住的方式、破裂的样子也就不同。螺栓或销钉断开时,通常就是这个剪切在作怪。 方向决定破裂的样子。垂直和平行并不一样。

现在是单位的感觉。应力是力除以面积,所以单位是 N/m²,这叫作帕斯卡 Pa。Pa 太小,工程里用它的一百万倍,兆帕 MPa。值得记住的关系是 1 MPa = 1 N/mm²。也就是 1 平方毫米上 1 牛顿。移动 P 去拉一根钢杆,看应力落在刻度的哪里,感觉就有了。大气压大约 0.1 MPa,混凝土是几十 MPa,钢屈服大约在 250 MPa 上下。给数字安上这个位置,计算说不说得通,一眼就看得出来。

实际应用应力,就是想象中切开的面上,面积一小块所撑的内力。σ = PA。外力原样贯穿杆子内部,内力不论位置都是 P,把那个内力除以截面面积,就是应力。力垂直于面是正应力,沿着面平行是切应力。单位是 MPa,而且 1 MPa = 1 N/mm²。问零件撑不撑得住,问的是应力,不是力。同样的载荷,截面窄的地方、孔的周围、台阶的拐角,应力会窜起来,先在那里坏掉。下一讲接着看这个拉力把杆子拉长多少,那就是应变。 窄的地方先说出危险。问的仍是应力。
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