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.

Nhiệt độ trên Trái Đất vì sao lại nóng lên?

Sự biến đổi khí hậu trên Trái Đất có liên quan đến cuộc sống của con người. Các nhà khoa học thông qua nghiên cứu và đo đạc nhiệt độ phát hiện thấy:...

Tại sao khỉ trên núi Nga Mi xin "phí mãi lộ" của người đi đường?

Núi Nga Mi là một trong tứ đại Phật sơn của Trung Quốc, nơi đó có rất nhiều khỉ trú ngụ, người nơi đó thường gọi chúng là "khỉ Nga Mi".

Tại sao phải chế tạo máy bay có cánh hướng về phía trước?

Thông thường thì cánh máy bay đều hướng về phía sau, nhưng chẳng lẽ lại không có loại máy bay nào cánh hướng về phía trước? Tháng 9/1997, tại một sân...

Vì sao khi tủ lạnh dừng chạy ta lại nghe thấy tiếng nước chảy?

Trong suốt quá trình tủ lạnh vận hành, chế độ làm lạnh của tủ không phải không có lúc bị ngắt quãng. Sau khi bị ngắt, tủ lại bắt đầu vận hành theo chế độ làm lạnh.

Vì sao chuông nứt đánh không kêu?

Cái chuông, khi đã bị nứt rồi, thì dù bạn có đánh hết sức bình sinh vẫn chỉ nghe thấy những âm thanh rè rè mà thôi. Đó là do chỗ bị nứt làm chuông mất...

Tại sao cùng một máy tính, cài đặt phần mềm khác nhau thì khả năng khác nhau?

Nhiều người biết rằng nếu máy tính có phần cứng mà không có phần mềm thì chỉ là máy trần trụi, và máy trần trụi chỉ là cỗ máy chết mà thôi, không thể...

Tại sao cây cao su ba lá chỉ có thể trồng được ở phía Nam?

Trong cuộc sống của chúng ta, hầu như hàng ngày đều gặp gỡ với cao su, ví dụ ra khỏi nhà đi xe đạp, đáp ô tô buýt và cả lái máy kéo..

Lỗ đen là gì?

Trên bầu trời sao nhấp nháy. Trừ các hành tinh ra, tuyệt đại bộ phận các ngôi sao là những hằng tinh giống như Mặt Trời, chúng đều tự phát sáng và...

Tại sao chim gõ kiến không bị chấn động não?

Trong rừng sâu, thường có thể nghe thấy âm thanh của chim gõ kiến dùng mỏ mổ "cốc, cốc, cốc" vào thân cây. Đó là chim gõ kiến đang "chữa bệnh" cho những cây bị côn trùng có hại xâm nhập đấy!