Tại sao các công trình sư có thể "nhìn thấy" ứng suất ở bên trong vật liệu?

Các ngoại lực mà kết cấu công trình phải chống chịu trong quá trình sử dụng, thường bao gồm trọng lượng bản thân kết cấu, phụ tải do hoạt động của con người và các loại trang thiết bị đặt trong kiến trúc cùng với các lực tự nhiên như mưa, gió, tuyết, động đất v.v. Căn cứ theo nguyên lý cân bằng giữa lực tác dụng và lực phản tác dụng, trị số nội lực của kết cấu tất nhiên phải bằng ngoại lực. Trên cùng một cấu kiện, nếu lấy tổng số một lực chia cho diện tích mặt cắt ngang của cấu kiện, thì ta được lực trên một đơn vị diện tích, đó là ứng suất ở bên trong vật liệu.

Ứng suất là một thứ không nhìn thấy được và không sờ mó được, thế nhưng con mắt của các công trình sư có thể nhìn thấy ứng suất như tia X quang chiếu xuyên qua vậy, do đó có thể thiết kế hợp lý kích thước ở tiết diện cấu kiện công trình. Như đập nước Để Trụ ở vùng trung lưu sông Hoàng Hà có thể ngăn chặn các cơn lũ lớn, các bệ phóng tên lửa đứng sừng sững giữa trời có thể chống chọi với lực chấn động như chớp giật sóng rền khi phóng tên lửa. Đó là do các công trình sư với con mắt nghề nghiệp đã nhìn thấy ứng suất ở bên trong công trình, sử dụng phối hợp các vật liệu một cách thích đáng.

Vậy thì các công trình sư "nhìn thấy" ứng suất ở bên trong vật liệu như thế nào?

Hoá ra, biến dạng là cái "bóng" của lực, chúng như cây và bóng râm ở dưới ánh sáng Mặt Trời, luôn luôn như hình với bóng. Lực chia cho diện tích mặt cắt ngang của cấu kiện gọi là ứng suất, còn độ biến đổi chiều dài (giãn ra hay co lại) hoặc độ uốn góc chia cho chiều dài ban đầu của cấu kiện thì gọi là biến dạng. Trong cấu kiện có ứng suất thì mới có thể phát sinh biến dạng. Mối quan hệ cùng tồn tại đó của lực và biến dạng đã đặt cơ sở lý luận cho một bộ môn khoa học gọi là "Sức bền vật liệu", chính là thông qua biến dạng có thể thấy được mà các công trình sư nhận biết được ứng suất không thể nhìn thấy.

Quan hệ tỷ lệ giữa ứng suất và biến dạng do nhà khoa học người Anh Húc (Hooke) phát hiện vào thế kỷ XVII, năm 1678 căn cứ vào kết quả thực nghiệm Húc đã đưa ra định luật Húc nổi tiếng: "Trong vật thể có tính đàn hồi, độ lớn của biến dạng tỷ lệ thuận với ngoại lực". Ví dụ bạn dùng hai tay kéo dây chun, nếu dây chun bị kéo ra càng dài, tức là tay bạn dùng lực cũng càng lớn. Nói một cách khác, dây chun biến dạng càng lớn, thì lực kéo mà bên trong nó phải chịu cũng càng lớn. Điều thú vị là quan hệ giữa biến dạng và lực còn là một quan hệ định lượng. Ví dụ một cán bằng cao su to bằng chiếc bút máy, dài khoảng 1 m, ở đầu dưới treo một vật nặng 10 kg, cán cao su sẽ dãn ra chừng 5 cm, nếu treo một vật nặng 20 kg thì dãn ra 10 cm. Điều đó chứng tỏ quan hệ của chúng là theo tỷ lệ thuận. Hệ số tỷ lệ đó, được gọi là "môđun đàn hồi".

Quan hệ tinh tế giữa ứng suất và biến dạng là điều bí ẩn đặc thù của "ánh mắt" các công trình sư, lực tuy không thể nhìn thấy bằng mắt, hình như không có dấu vết để có thể tra tìm rất dễ lọt qua tầm nhìn của người thường, nhưng không thoát khỏi con mắt của các công trình sư.

Siêu văn bản "siêu" ở chỗ nào?

Chúng ta biết rằng thường một văn bản được chia ra thành mấy đoạn, mỗi đoạn gồm có mấy câu, mấy câu lại gồm một số chữ tạo nên. Có thể nói văn bản...

Làm thế nào để biết được vệ tinh đang bay trên quỹ đạo dự định?

Các vệ tinh và con tàu làm việc trong vũ trụ đều bay trong quỹ đạo đã được dự kiến. Chúng giống như người đi bộ và xe cộ đi trên phần đường của mình,...

Tiết khí được xác định như thế nào?

Trái Đất quay một vòng quanh Mặt Trời mất 365 ngày 5h48'46, Trái Đất tự quay quanh mình một vòng mất 23h56'4. Vì quỹ đạo quay quanh Mặt Trời không...

Tại sao khi đi xe đạp, xe không bị đổ?

Trong đời sống, chúng ta đều có kinh nghiệm như thế này: Một vật thể cần phải có ba điểm tựa mới có thể bình ổn chẳng hạn như máy chụp ảnh có giá ba...

Tại sao cáo lông đỏ rất thích sử dụng mưu kế?

Trong các loài động vật ăn thịt, nếu hỏi loài nào xảo quyệt nhất, hẳn mọi người đều cho là loài cáo. Thực ra tên gọi chính xác của nó phải là cáo lông đỏ.

Tại sao người nguyên thuỷ có thể khoan gỗ để lấy lửa?

Các nhà khoa học trên thế giới chỉ ra rằng, từ rất sớm người nguyên thủy đã biết học cách sử dụng lửa, đó chính là lửa thiên nhiên, tức là những đám lửa do sét đánh vào các khu rừng gây ra cháy...

Vì sao dưới bồn địa Talimu khô ráo lại có nhiều nước ngầm?

Bồn địa lớn nhất Trung Quốc - miền Trung bồn địa Talimu là sa mạc Takhơlamakan. Ở Duy Ngô Nhĩ, Takhơlamakan có nghĩa là "vào mà không ra được".

Có phải loài người và loài khỉ có cùng "dòng họ"?

Xét về hình dáng bên ngoài thì loài khỉ có rất nhiều nét giống với con người. Chỉ cẩn xét đôi bàn tay của khỉ cũng đủ thấy rõ -nó chẳng khác tay người...

Tại sao Beethoven được tôn vinh là “Nhạc Thánh”? Dapan

Trên thế giới có một số nhạc sỹ đạt tới thành tựu cao đều có thêm một danh hiệu tôn xưng đặt trước tên mình. Trong số đo riêng một mình nhà soạn nhạc...