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12.5: 应力、应变和弹性模量(第 2 部分)

体积应力、应变和模量

当你潜入水中时,你会感觉到一股力量从各个方向压在身体的每个部位。 那时你所经历的是体积压力,换句话说,压力。 体积应力总是会减小被淹没物体表面所包围的体积。 这种 “挤压” 的力量始终垂直于水下表面 Figure12.5.1。 这些力的作用是在没有体积应力的情况下,将水下物体的体积减小一量 V,而物体的体积 V 0Δ 这种变形称为体积应变,通过体积相对于原始体积的变化来描述:

bulkstrain=ΔVV0

该图是物体在体应力下承受的力的示意图。 垂直于表面的等力从各个方向起作用,与原始体积 V0 相比,体积减小了 delta V 的量。
12.5.1:体积应力增加的物体的体积总是会减小。 垂直于表面的等力从各个方向起作用。 这些力量的作用是将音量减小到与原始音量Δ V 0 相比的 V 量。

体积应变由体应力产生,体应力是垂直于表面的力 F,它压在水下物体的单位表面积 A 上。 这种物理量或压力 p 被定义为

pressure=pFA.

我们将在流体力学中更详细地研究流体中的压力。 压力的一个重要特征是它是一个标量,没有任何特定的方向;也就是说,压力在所有可能的方向上作用相同。 当你将手浸入水中时,你会感觉到作用于手顶表面的压力与底部表面、侧面或手指之间皮肤表面的压力相同。 在这种情况下,你感觉到的压力比你习惯的手没有浸入水中时的感受要增加Δ p。 当你的手没有浸入水中时,你会感觉到一个大气层的正常压力 p 0,它可以作为参考点。 体积应力是压力的增加,即Δ p,超过正常水平 p 0

根据方程 12.4.4,当体应力增加时,体积应变随响应而增加。 这种关系中的比例常数称为体积模量 B 或

B=bulkstressbulkstrain=ΔpΔVV0=ΔpV0ΔV.

方程式\ ref {12.39} 中出现的减号是为了保持一致性,以确保B其为正量。 请注意,负号 (—) 是必要的,因为压力Δ p 的增加(正量)总是会导致音量降低Δ V,而体积的减少是负量。 体积模量的倒数称为压缩率 k,或

k=1B=ΔVV0Δp.

“可压缩性” 一词用于指流体(气体和液体)。 压缩性描述了每单位压力增加时流体体积的变化。 以大可压缩性为特征的流体相对容易压缩。 例如,水的可压缩性为 4.64 x 10 −5 /atm,丙酮的可压缩性为 1.45 x 10 −4 /atm。 这意味着,在压力升高1.0-atm的情况下,丙酮体积的相对减小幅度大约是水的三倍。

示例12.5.1: Hydraulic Press

在液压机图中12.5.2,250升体积的机油会承受2300psi的压力增加。 如果油的可压缩性为 2.0 x 10 −5/atm,则找出压机运行时体积应变和油量的绝对减小值。

图为液压机的示意图。 小活塞向下移动,使大型活塞保持物体向上移动。
12.5.2:在液压机中,当一个小活塞向下移动时,机油中的压力通过机油传递到大型活塞,从而使大型活塞向上移动。 施加在小活塞上的小力会产生很大的压力,大型活塞会对被抬起或挤压的物体施加这种压力。 该设备充当机械杠杆。

策略

我们必须反转方程\ ref {12.40} 才能找到体积应变。 首先,我们将压力增加从 psi 转换为 atm,Δp = 2300 psi = β230014.7atm 160 atm,然后确定 V 0 = 250 L

解决方案

将值代入方程中,我们有

bulkstrain=ΔVV0=ΔpB=kΔp=(2.0×105/atm)(160atm)=0.0032

回答

ΔV=0.0032V0=0.0032(250L)=0.78L.

意义

请注意,由于水的可压缩性是机油的2.32倍,因此如果将该问题的液压机中的工作物质改为水,则体积应变和体积变化将大2.32倍。

练习12.5.1

如果作用于立方体 1.0 m 3 钢件每个表面的法向力变化了 1.0 x 10 7 N,则找出由此产生的钢块体积变化。

剪切应力、应变和模量

剪应力和应变的概念仅涉及固体物体或材料。 建筑物和构造板块就是可能受到剪切应力的物体的例子。 通常,这些概念不适用于流体。

当两个相等大小的反平行力切向固体物体的相对表面施加时,就会发生剪切变形,从而导致力线的横向变形,如图所示的剪切应力的典型示例12.5.3。 剪切变形的特征是层在与作用力相切的方向上逐渐移动Δ x 层。 Δx 中的这种渐变发生在横向方向上沿一定距离 L 0。 剪切应变由最大位移Δ x 与横向距离 L 0 之比来定义

shearstrain=ΔxL0.

剪切应力是由剪切应力引起的。 剪应力是由平行于表面的力引起的。 我们使用符号 F 表示这些部队。 施加剪切力的每个表面积 A 的大小 F 是剪切应力的度量

shearstress=FA.

剪切模量是方程\ ref {12.33} 中的比例常数,由应力与应变之比定义。 剪切模量通常表示为S

S=shearstressshearstrain=FAΔxL0=FAL0Δx.

图是受剪应力影响的物体的示意图:两个相等大小的反平行力切向物体的相对平行表面施加。 结果,物体从矩形变为平行四边形,即形状。 虽然物体的高度保持不变,但顶角会通过 Delta X 向右移动。
12.5.3:承受剪应力的物体:两个大小相等的反平行力切向物体的相对平行表面施加。 虚线轮廓描绘了由此产生的变形。 横向作用力的方向没有变化,横向长度 L 0 不受影响。 剪切变形的特征是层在与力相切的方向上逐渐移动Δ x 层。
示例12.5.2: An Old Bookshelf

清洁人员试图通过切线推动最顶层书架的表面,在铺有地毯的地板上移动一个沉重的旧书柜。 但是,这种努力的唯一明显效果与图中看到的效果相似12.5.2,当人停止推动时,它就会消失。 书柜高 180.0 厘米,宽 90.0 厘米,有四个 30.0 厘米深的书架,全部装满了部分书籍。 书柜和书的总重量为 600.0 N。如果该人向顶层书架推动 50.0N,使顶层书架相对于一动不动的底层架子水平移动 15.0 厘米,请找到书柜的剪切模量。

策略

唯一的相关信息是书柜的物理尺寸、切向力的值以及该力造成的位移。 我们确定 F = 50.0 N,Δx = 15.0 cm,L 0 = 180.0 cm,A =(30.0 cm)(90.0 cm)= 2700.0 cm 2,我们使用方程\ ref {12.43} 来计算剪切模量。

解决方案

将数字代入方程中,我们得出剪切模量

S=FAL0Δx=50.0N2700.0cm2180.0cm15.0cm=29Mcm2=29×104N/m2=209×103Pa=2.222kPa.

我们还可以分别找到剪切应力和应变:

FA=50.0N2700.0cm2=527kPa=185.2Pa

ΔxL0=15.0cm180.0cm=112=0.083.

意义

如果这个例子中的人给架子一个健康的推力,那么诱发的剪切可能会把它倒成一堆垃圾。 大致相同的剪切机制是造成填土大坝和堤坝失效的原因;总的来说,滑坡也是造成滑坡的原因。

练习12.5.2

解释为什么杨氏模量和剪切模量的概念不适用于流体。