为什么工程师的眼睛能“看见”材料内部的应力V4

眼睛，诗人称它是心灵之窗，是流星，是感情的电和火……然而，在科学工作者看来，它是窥探自然界秘密的利器。

可不是吗！中流砥柱的拦河坝，能截断呼啸而下的洪峰；巍然屹立的火箭发射塔，能抗衡雷霆万钧的发射振动力，无不是工程师用自己独特的职业眼睛，窥见了工程物内部的应力，而配给适量材料的结果。

工程结构在使用过程中，受到的外力通常有:结构物自身重量、建筑物内安放的各种设备、人群活动荷载，以及风、雪、洪、地震等自然力。根据作用反作用，力的平衡原理，结构物内力的数值必然等于外力。在同一构件上，如果把内力总数除以构件的截面积，得到单位面积上的力，就是材料内部的应力。

应力，这是看不见、摸不着的东西。为什么工程师的眼睛能象“X光”一样透视材料内部的应力，而恰如其分地设计工程构件的截面尺寸呢？

原来，变形是力的“影子”它俩犹如斜阳下的树与荫，总是形影相伴。前面说过，力除以截面积叫做应力；那么，变形(拉伸、缩短或转角）除以构件原来的长度叫什么呢？工程上叫做应变。同理，应变就是应力的“影子”。立竿见影，先有竿才有影;构件上有了应力，才会有应变的发生。力与变形的这种共存关系，给“材料力学”这门学科奠定了理论基础，工程师正是通过可见的应变，捕获了不可见的应力。

应力与应变的比例关系，是十七世纪英国科学家虎克所发现的。1678年，虎克根据实验结果，提出了著名的虎氏定律：“在弹性物体中，变形的大小与外力成正比例关系。”例如，你用双手拉橡皮筋，橡皮筋被你拉得愈长，你所用的手力也愈大。换句话说，橡皮筋变形愈大，筋内所受的拉力也愈大。

有趣的是，变形与力的关系还是定量的。比如一根一尺长、钢笔粗细的橡皮杆，下端悬挂10公斤重物，橡皮杆伸长约5厘米；如果吊挂20公斤的重物，则伸长10厘米。这说明它俩的关系是成正比例的。而这个比例系数，工程上称为“弹性模量”。

应力与应变的微妙关系，就是工程师特殊“眼光”的全部奥秘。力，虽然用眼看不见，好象无迹可查，很容易漏过一般人的视网，却逃不掉工程师的眼睛！