应力

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应力

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固体力学

连续介质力学中,应力是一个物理量,是标准力学量之一。 它是描述引起变形的力的大小的量。 应力定义为每单位面积的力。 当一个物体被力拉开时,它会引起伸长,也称为变形,就像松紧带的拉伸一样,称为拉伸应力。 但是,当力导致物体压缩时,它被称为压应力。 当张力或压缩等力作用在身体上时,就会产生这种情况。 这个力越大,它所作用的物体的横截面积越小,应力就越大。 因此,应力的测量单位为牛顿每平方米 (N/m2) 或帕斯卡 (Pa)。

应力表示连续材料的相邻颗粒相互施加的内力,而应变是材料变形的量度。 例如,当一个实心竖条支撑头顶的重物时,条中的每个粒子都会推动其正下方的粒子。 当液体在压力下处于密闭容器中时,每个粒子都会受到周围所有粒子的推动。 容器壁和压力感应表面(如活塞)以(牛顿)反应推动它们。 这些宏观力实际上是这些分子中粒子之间大量分子间力碰撞的最终结果。 压力通常由小写希腊字母 sigma (σ) 表示。

材料内部的应变可能由各种机制引起,例如由外力施加到散装材料(如重力)或其表面(如接触力、外部压力或摩擦)的应力。 固体材料的任何应变(变形)都会产生内部弹性应力,类似于弹簧的反作用力,倾向于将材料恢复到其原始的未变形状态。 在液体和气体中,只有改变体积的变形才会产生持续的弹性应力。 然而,如果变形随时间逐渐变化,即使在流体中,通常也会存在一些粘性应力,与这种变化相反。 弹性应力和粘性应力通常统称为机械应力。

即使变形可以忽略不计或不存在(模拟水流时的常见假设),也可能存在显着应力。 在没有外力的情况下可能存在压力; 这种内在应力很重要,例如,在预应力混凝土钢化玻璃中。 也可以在不施加净力的情况下对材料施加应力,例如通过温度或化学成分的变化,或通过外部电磁场(如压电和磁致伸缩材料)。

机械应力、变形和变形变化率之间的关系可能非常复杂,但如果量足够小,在实践中线性近似可能就足够了。 超过材料一定强度极限的应力将导致xxx变形(如塑性流动、断裂、空化)甚至改变其晶体结构和化学成分。

历史

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人类自古以来就知道材料内部的应力。 直到 17 世纪,这种理解在很大程度上是凭直觉和经验得出的,但这并没有阻止复合弓和玻璃吹制等相对先进技术的发展。

应力

几千年来,尤其是建筑师和建造者,学会了如何将精心塑造的木梁和石块放在一起,以最有效的方式承受、传递和分配压力,并采用巧妙的装置,如柱头、拱门、圆顶、桁架和 哥特式大教堂的飞拱

古代和中世纪的建筑师确实发展了一些几何方法和简单的公式来计算柱子和梁的适当尺寸,但只有在 17 和 18 世纪发明了必要的工具之后,对应力的科学理解才有可能:伽利略·伽利莱 (Galileo Galilei) 严格的 实验方法、笛卡尔坐标和解析几何、牛顿坐标。

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