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連續體:三維中的應變、應力與虎克定律

讓物體變形——應變張量如何度量拉伸與剪切、應力張量如何在每個面上傳遞內力,以及虎克定律如何在三維中把兩者相連。

從原子到平滑的場

真實固體是 10^{23} 個相互推擠原子的晶格。連續體假設把這團原子換成平滑的場——密度 \rho(\mathbf{x}),以及最關鍵的、每一點都有一個位移 \mathbf{u}(\mathbf{x})——只要我們觀察的尺度遠大於原子、卻又遠小於整個物體,它就成立。這與把個別分子化為具有平滑壓力與速度場的流體是同一種跨越。

關鍵變數是位移場 \mathbf{u}(\mathbf{x}):原本位於 \mathbf{x} 的物質點移動了多遠。但 \mathbf{u} 本身並不會累積內力——把整個物體拿起來平移,什麼也沒被施力。真正要緊的,是 \mathbf{u} 如何在各點之間變化

應變:度量變形

變形存在於梯度 \partial u_i/\partial x_j 之中。但這個梯度並非全都是真實應變:它的反對稱部分只是局部的剛性轉動,不儲存能量。只保留對稱部分,就分離出真正的拉伸與剪切——應變張量

\varepsilon_{ij} = \tfrac{1}{2}\left(\frac{\partial u_i}{\partial x_j} + \frac{\partial u_j}{\partial x_i}\right)

應變張量——位移場的對稱梯度;無因次,且在一般彈性變形下很小。

它的對角元 \varepsilon_{11},\varepsilon_{22},\varepsilon_{33}正向應變——沿各軸的相對拉伸量。它的非對角元是剪應變——物質歪斜時各軸之間夾角的改變。而跡 \varepsilon_{kk}=\varepsilon_{11}+\varepsilon_{22}+\varepsilon_{33} 正是體積的相對變化(膨脹量)。

一個受正向應力拉扯、又受剪應力歪斜的物質元素,以及使其變形的正向應變與剪應變。

應力:跨越面的內力

現在談力。用一個假想平面切開物質;兩側以單位面積的力互相推拉——即面力(應力向量)。這個面力取決於切面的方向。柯西的洞見是:面力對切面的單位法線 \mathbf{n}線性的,由應力張量居中連結:

t_i = \sigma_{ij}\,n_j

柯西應力原理——法線為 \mathbf{n} 的面上所受的面力(單位面積的力);\sigma_{ij} 是法線沿第 j 軸的面上、第 i 個力分量。

對角的 \sigma_{ii}正向應力——為負時是壓力、為正時是張力。非對角的是剪應力。而 \sigma_{ij}=\sigma_{ji} 並非假設:它來自對一個收縮元素的角動量平衡——不對稱的應力會讓一個微小立方體無止境地旋轉起來。所以應力和應變、慣量一樣,是一個具六個獨立分量的對稱二階張量

三維中的虎克定律

應變說明物體如何變形;應力說明它承載什麼力。連接兩者的橋樑是材料的本構關係。第一冊裡虎克定律F=-kx,一根彈簧。它在連續體中的後裔是兩個張量之間的線性關係,由四階彈性張量 C_{ijkl} 承載,最多含 21 個獨立彈性常數:

\sigma_{ij} = C_{ijkl}\,\varepsilon_{kl}

廣義虎克定律C_{ijkl} 是彈性(剛度)張量,編碼材料全部的彈性性質。

二十一個常數聽來嚇人,但對稱性拯救了我們。對各向同性材料——各方向都相同,如玻璃或無定向的鋼——整個張量塌縮成僅兩個數字,即拉梅參數 \lambda\mu

\sigma_{ij} = \lambda\,\varepsilon_{kk}\,\delta_{ij} + 2\mu\,\varepsilon_{ij}

各向同性虎克定律:\mu(剪切模數)抗拒形狀改變,而 \lambda 把應力繫於體積變化 \varepsilon_{kk}

你熟悉的工程模數只是這兩者的組合。楊氏模數 E(單純拉伸下的剛度)與帕松比 \nu(拉伸時側向變細多少)為:

E = \frac{\mu(3\lambda + 2\mu)}{\lambda + \mu}, \qquad \nu = \frac{\lambda}{2(\lambda + \mu)}

由兩個拉梅參數還原出的日常彈性模數。

固體的運動方程

最後,牛頓第二定律作用在一個微小物質元素上:它的質量乘加速度,等於淨內力(應力張量的散度)加上任何體力 f_i(例如重力)。這就是柯西動量方程:

\rho\,\frac{\partial^2 u_i}{\partial t^2} = \frac{\partial \sigma_{ij}}{\partial x_j} + f_i

柯西運動方程——連續體版本的 ma=F,應力張量的散度即單位體積的淨內力。

這是連續體的主方程。丟掉加速度,它主宰靜力學——受載的橋、彎曲的梁、受應力的水壩。保留加速度並代入虎克定律,它——如下一篇所示——就化為一個波動方程,聲音於焉誕生。