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.

Vì sao nửa sau đêm nhìn thấy sao băng nhiều hơn nửa trước đêm?

Sao băng ta nhìn thấy có lúc nhiều, lúc ít. Nếu quan sát kỹ sẽ phát hiện nửa trước đêm nhìn thấy sao băng ít hơn nửa đêm.

Tại sao đèn pha chống sương mù của ô tô lại có ánh sáng màu vàng?

Sương dày đặc là một trở ngại lớn cho việc giao thông bằng xe cộ. Khi ô tô gặp sương mù thường phải bật đèn pha chống sương mù ở trước xe, đèn sẽ phát...

Liệu có thể có các ván cờ giống nhau hoàn toàn từ đầu đến cuối?

Chúng ta thường thích đánh cờ. Thế trong hàng ngàn, hàng vạn cuộc cờ liệu có thể có hai cuộc cờ giống nhau từ đầu đến cuối? Chúng ta thử làm một bước...

Gió thổi như thế nào?

Cờ bay trong gió, thuyền buồm chạy băng băng, mặt nước dập dềnh, sóng vỗ ẩm ẩm,..

Thuỷ tinh hữu cơ và thuỷ tinh thường có gì khác nhau?

Không ít người cho rằng thủy tinh hữu cơ và thủy tinh thường là "cùng một họ", thực ra chúng hoàn toàn khác nhau. Nguyên liệu để chế tạo thuỷ tinh...

Vì sao vật liệu bán dẫn lại trở thành vật liệu chủ yếu trong kỹ thuật điện tử?

Có thể nói, không có vật liệu bán dẫn thì các kỹ thuật hiện đại như ngành công nghiệp điện tử máy tính, thông tin... sẽ không thể phát triển với trình độ cao như hiện nay.

Vì sao miền Nam Trung Quốc lại có nhiều đất đỏ?

Đất đỏ được phân bố tại phía nam sông Trường Giang Trung Quốc, đặc biệt là các tỉnh khu vực nam bộ như Hồ Bắc, miền nam tỉnh An Huy, tỉnh Phúc Kiến,...

Vì sao dầu mỏ được đánh giá là "vàng đen"?

Dầu mỏ là loại dầu khoáng vật có màu nâu hoặc đen. Dầu mỏ được đánh giá là "vàng đen", là "dòng máu của công nghiệp".

Tại sao bạc hà đặc biệt mát lạnh?

Vào mùa hè nóng nực, ngắt một chiếc lá bạc hà, nhai nhai sẽ có một luồng hương thơm mát; nếu hái mấy lá rồi ngâm trong nước sôi, đợi sau khi nguội...