

我们都知道力的三要素是大小、方向和作用点。可是,作用点是没有尺寸的,它仅仅表示力作用的位置。而物体材料是有尺寸的,在需要研究物体内部各点材料的受力时,我们需要引入应力这个概念。
在百度百科里,关于应力的定义是这么写的:“物体由于外因(受力、湿度、温度场变化等)而变形时,在物体内各部分之间产生相互作用的内力,以抵抗这种外因的作用,并试图使物体从变形后的位置恢复到变形前的位置。”
缺乏想象力的同学看到上面这个定义依旧一团雾水,仍不知道应力究竟是个什么概念,其实我们可以先把严谨放在一边,用不那么准确但是容易理解的方法看一下应力是什么,等学到一定程度时自然会形成严谨的认知。
上大学前,很多人都没有接触过应力的概念,唯一有点联系的就是高中所学的压强,因为应力和压强的单位是一样的,用帕斯卡(Pa)表示,即N/m^2。而在土木工程中,我们常用的应力单位是兆帕(MPa),也可以表示为牛每平方毫米(N/mm^2)。
1.正应力
首先是正应力,正应力与截面垂直,正应力分为拉应力和压应力。
压应力和压强类似,高中时我们学过压强的定义物体所受压力的大小与受力面积之比叫做压强,p=F/S。
而正应力也可以写出类似的式子,σ=dF/dA,表示材料内部单位面积上的应力,通俗点来说,应力就是物体在受到外界作用时物体各部分的材料贡献的内力,有种共同抵御外敌的感觉。
如下图所示,物体受压,想象把物体剖开来看,那么为了受力平衡,物体的左侧断面的每一部分面积的材料都要承受一部分的力,当断面与力的方向垂直且材料均匀时,则为平均正应力。虽然不太严谨,但是用密密麻麻的小箭头来表示正应力也许会更直观形象。

值得注意的是,为了对新手友好一点,上图2用了平均应力来解释,所以断面上的应力分布是均匀的,相等的。
实际上,材料在很多受力情况下,如受弯,受扭,还有材料不均匀的时候,应力分布都是不均匀的。
拉应力是在内部材料受拉时产生的,具体情况和压应力相似,只是方向不同,可以参照下图3。

2.切应力(剪应力)
物体的受力情况千变万化,内部的应力分布也非常复杂,所以,应力的方向有无数种可能。

如上图,当应力的方向既不与截面垂直,也不与截面平行时,为了简化分析以解决实际问题,我们需要把应力沿着与截面垂直的方向和与截面平行的方向分解。
同截面垂直的称为正应力或法向应力,同截面相切的称为切应力或剪应力。
有了正应力和切应力,我们就可以表示物体内部各种方向的应力状态了!
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