【中華百科全書●工學●應力】

楊籍富

【中華百科全書●工學●應力】

 

一個物體，受到外力(ExternalForce)之作用，內部就產生內力(InternalForce)以平衡之。

 

物體內某一斷面之內力如均勻分布，則應力(Stress)可定義為：σ＝P/A(1)上式P為外力，也是內力，因在平衡狀態下之物體，內力之大小等於外力，但方向相反；

 

A為斷面積。

 

物體內某一斷面之內力如非均勻分布，則應力可定義為：σ＝δP/δA(2)且δA趨近於零。

 

外力P之單位，國際上通用者為牛頓(Newton)，以N代表之。

 

由於一個牛頓之力太小，在工程上常用千牛頓(KN)或百萬牛頓(MN)之單位。

 

我國目前尚通用公斤(Kg)或噸(T)之單位。

 

面積(A)之單位常用平方公分(cm2)或平方公尺(m2)之單位。

 

因此，應力之單位，國際上通用者為N/m2、KN/m2，或MN/m2。

 

我國目前通用者為Kg/cm2，或T/m2。

 

每一MN/m2約等於九．八一Kg/cm2，在實用上，常取近似值，令每一MN/m2等於十Kg/cm2。

 

外力，因作用方式之不同而大致可分為靜力、動力、衝擊力，及反復作用力等。

 

靜力，由固定外力(通常是重力)之作用；

 

動力，由快速移動外力如橋上車輛、地震、風力等之作用；

 

衝擊力，由突然打擊力如爆炸或重錘打擊之作用；

 

反復作用力，力之大小及方向隨時間而作規則性變化。

 

應力，指向所論斷面者，稱為壓應力(CompressiveStress)，應力背向所論斷面者，稱為拉應力(TensileStress)；

 

應力平行於所論斷面者，稱為剪應力(ShearStress)。

 

一長棒，若只有壓應力，則縮短；

 

若只有拉應力，則伸長。

 

一物體內之任意斷面，如有剪應力，必沿此斷面發生位移，稱為剪位移。

 

一物體受外力之作用而伸長或縮短，或沿某一斷面發生剪位移，如果外力解除之後立即恢復原狀者，則此一物體稱為彈性體(ElasticBody)。

 

一彈性體之應力必正比於其應變(Strain)，亦即：σ∞ε(3)上式σ為應力，已如述；

 

ε為應變：請見「應變」條。

 

應力與應變之比值為一常數，稱為彈性模數(ModulusofElasticity)E。

 

(3)式通常稱之為虎克定律(HookesLaw)。

 

許多工程材料，例如鋼鐵、混凝土、新鮮花崗岩，在某一限度之內，大致遵守虎克定律；

 

超過某一限度，應力之升高不多而應變卻迅速增加，至某一點，應力升高至一最高值，稱為最大應力(MaximumStress)或尖峰強度(PeakStrength)，然後急速下降至某一應力值而保持不變，稱為剩餘應力(ResidualStress)或剩餘強度(ResidualStrength)。

 

剩餘強度為零或甚低者，稱為脆性(Brittle)；

 

剩餘強度等於尖強度或近於尖強度者，稱為延性(Ductile)。

 

若一物體之溫度升高或降低，則該物體若非有脹縮，則必產生應力，稱為溫度引起之應力(TemperatureInducedStress)，或簡稱溫度應力(TemperatureStress)。

 

溫度應力可以下式表示之：σT＝Eαt(4)式中，σT為溫度應力；

 

E為彈性模數；

 

α為線脹係數(LinearCoefficientofExpansion)；

 

t為溫度之升高值。

 

若一物體之邊有任何缺口，或物體內部有小空洞，則在此缺口或空洞邊緣之應力，必高出正常值(式(1)所計算者)甚多，稱為應力集中現象，(StressConcentration)。

 

應力集中現象，曾造成一些飛機之破壞。

 

物體內應力之高低，並非可以直接量得者，吾人僅能量出作用力P，面積A，由式(1)計算應力σ；

 

或量得應變ε，乘以彈性模數E而得應力σ。

 

又必須注意的是：應力是不可以直接分解或合成的；

 

力量才可以分解或合成。

 

如有必要算出其他不平行斷面之應力，則應先算出原斷面上作用力之大小、方向及指向，再分解至所論斷面上，然後由式(1)算出所求之應力。

 

物體應力對強度之比值，稱為安全係數(FactorofSafety)。

 

一般鋼鐵之安全係數常用三；

 

混凝土之安全係數用二左右，土石壩之安全係數常用一．五，這是因為工程師常常有意或無意間，故意低估土壤或岩石的強度，所以才有土石壩設計使用遠比鋼鐵結構安全係數低的作法。

 

上述者，主要限於物體所受到的作用力是單向度的。

 

若物體受二向度或三向度的作用力，則應力之情況更為複雜。

 

(洪如江)

 

引用：http://ap6.pccu.edu.tw/Encyclopedia/data.asp?id=6937