应力

title: 应力张量.
content: 通常的术语“应力”实际上是一个叫做“应力张量”(stress tensor)的二阶张量(详见并矢张量或者张量积)。概略地说,应力描述了连续介质内部之间通过力(而且是通过近距离接触作用力)进行相互作用的强度。具体说,如果我们把连续介质用一张假想的光滑曲面把它一分为二,那么被分开的这两部分就会透过这张曲面相互施加作用力。很显然,即使在保持连续介质的物理状态不变的前提下,这种作用力也会因为假想曲面的不同而不同,所以,必须用一个不依赖于假想曲面的物理量来描述连续介质内部的相互作用的状态。对于连续介质来说,担当此任的就是应力张量,简称为应力。  在这里,我们所说的连续介质同物理学中的质点、刚体、点电荷等类似,都是一种模型,它假定物质没有微观结构,而只是连续地分布在一个给定的三维区域中--有些情况下也会假定它连续分布在一个光滑曲面上,甚至一条光滑曲线上,不过我们这里暂不考虑这种二维分布和一维分布的连续介质。刚体就是连续介质的一种特殊情形。流体和弹性体也是连续介质的特殊情形。  设formula_16是假想曲面formula_17的一个微小面积元素向量,其方向是垂直于假想曲面,朝着假想曲面的外侧指去的方向,formula_18是施加于假想曲面formula_16的作用力,设定formula_18的正值方向是朝着假想曲面的外侧指去的方向。则,作为一个物理模型,formula_18对formula_16有线性依赖关系,也就是说,从formula_16到formula_18的映射是一个线性映射。这个线性映射可以通过二阶张量formula_25(在电动力学和相对论中常常用formula_26来表示)和 formula_16的张量缩并(英语:tensor contraction)得到:  这里的formula_25就是应力张量。  如果建立一个直角坐标系formula_30,为了简便起见,我们把formula_31分别记为formula_32,把对应的三个单位矢量formula_33分别记为formula_34,则 在这里,指标formula_36等的取值范围为1, 2, 3,而且重复指标要按照爱因斯坦求和约定来求和。与通常的记号(见曲面积分)来联系,有  我们可以把应力张量formula_25写成  那么,按照并矢张量和矢量的缩并规则,  其中,formula_41是度量张量。  将上式右端与formula_42进行比较即可得到  对于直角坐标系,任意共变量与其对应的反变量相等,因此可以将所有上标改变为下标。所以,  由此可以得到formula_45的物理意义:如果假想曲面formula_17的微小面积元素formula_16的方向和formula_48方向一致,则  可见formula_50是朝着formula_51方向施加于formula_52 等值曲面的单位面积的作用力。  很显然,应力张量的量纲和力与面积的比相同,都是formula_53,在国际单位制中,它的单位是帕斯卡(Pa),formula_54。这个单位也是压强的单位,我们马上就可以看到二者之间的关系。
title: 高斯定理.
content: 如果连续介质被一张曲面formula_55分隔为1、2两部分,如果我们要计算第2部分对第1部分的作用力的总和formula_56,就可以把formula_55的单位法矢量formula_58选为由1指向2,并且令formula_59,则  如果formula_55是一个封闭曲面,那么formula_58就成为了第1部分所在区域formula_63的外法矢量,这时可以对上述积分应用高斯公式,其结果为 其中formula_65是二阶张量formula_25的散度,在这里我们把它定义为  而  是formula_69的转置。  关于二阶张量的高斯定理,详见高斯公式。
title: 牛顿第三定律自动满足.
content: 牛顿第三定律显然是满足的,因为,如果面积元formula_16从介质的第1部分指向第2部分,则formula_71就会从介质的第2部分指向第1部分,于是第2部分对第1部分的作用力formula_28和第1部分对第2部分的作用力formula_73显然满足formula_74,
title: 应力张量的对称性.
content: 这里所说的对称性,是指转置下的不变性,即  亦即 应力张量的对称性可由体积微元的力矩平衡推导得出。 在牛顿力学中,应力张量的对称性是角动量定理的一个推论。
title: 压强和剪应力.
content: 可以把应力张量分解为压强(pressure)formula_77和剪应力(shear stress)formula_78两部分。为此,我们先给出二阶张量的迹(trace)以及单位张量的定义。  设formula_26是一个二阶张量,而formula_80是三维欧几里得空间(Euclidean space)formula_81的一个右手的标准正交基(orthonormal basis),则定义formula_26的迹(trace)  在这里,我们约定:如果求和号在表达式中出现,那么爱因斯坦求和约定就不再有效。 不难验证,如果把formula_26展开为formula_85,则  接下来,我们定义  则不难证明,formula_88的定义与标准正交基formula_80的选取无关。此外,不难验证它有如下性质:对于任意一个矢量formula_90,总是成立着  因此我们称formula_88为formula_81上的单位张量。  借助于以上两个概念,我们对应力张量formula_25定义  为了看清它们的物理意义,我们先考虑一个特殊情形:应力张量formula_25满足formula_97,则formula_98。在介质中任取一个面积元formula_16,则面积元所指向的那部分介质(外侧介质)对它的内侧介质的作用力为formula_100,负号表明formula_18的方向与formula_16相反,即介质的内部作用力是一种压力,其方向总是垂直于分隔面。在介质为流体的情形,formula_77正好就是压强。  对于电磁场的马克士威应力张量formula_26而言,上述定义下的压强formula_77就是电磁场的能量密度formula_106的三分之一,即光压:  见下面的「马克士威应力张量」一节。  在讨论formula_78的物理意义之前,先给出它的一些基本性质。首先,  所以,常常称formula_78为formula_25的无迹部分。
title: 马克士威应力张量.
content: 在电动力学中,电磁场的马克士威应力张量在国际单位制中的表达式为  其中  是电磁场的能量密度。不难看出,马克士威应力张量的迹formula_114,故它所对应的压强  这就是统计力学中常常遇到的光压。

Summary: 在连续介质力学里,应力定义为单位面积所承受的作用力。以公式标记为

Stress (mechanics): In continuum mechanics, stress is a physical quantity that expresses the internal forces that neighbouring particles of a continuous material exert on each other, while strain is the measure of the deformation of the material. For example, when a solid vertical bar is supporting an overhead weight, each particle in the bar pushes on the particles immediately below it. When a liquid is in a closed container under pressure, each particle gets pushed against by all the surrounding particles. The container walls and the pressure-inducing surface (such as a piston) push against them in (Newtonian) reaction. These macroscopic forces are actually the net result of a very large number of intermolecular forces and collisions between the particles in those molecules. Stress is frequently represented by a lowercase Greek letter sigma (σ).