Vì sao con mắt của kĩ sư có thể “nhìn thấy” ứng suất bên trong vật liệu?

Các nhà thơ vẫn gọi con mắt là cửa sổ của tâm hồn. Còn đối với những người làm khoa học kĩ thuật, nó là lợi khí để dòm ngó bí mật của thiên nhiên.

Chẳng phải thế sao? Từ con đập chắn nước có thể cắt đứt đỉnh lũ đang gầm rú lao xuống tới bệ phóng tên lửa đồ sộ có thể phát ra sức chấn động ngang với sấm sét… đều được người kĩ sư dùng con mắt nghề nghiệp đặc biệt của mình, nhìn ra ứng suất bên trong công trình để phân phối lượng vật liệu thích hợp khi chế tạo.

Vậy thì, ứng suất bên trong vật thể là gì? Căn cứ vào định luật thứ ba của Newton và nguyên lí cân bằng lực, giá trị của nội lực của vật kết cấu đương nhiên bằng với ngoại lực đặt lên vật đó. Trên cùng một cấu kiện, nếu chia tổng của các nội lực cho mặt cắt của cấu kiện, nội lực trên một đơn vị diệntích là ứng suất bên trong của vật liệu.

Ứng suất là thứ nhìn không thấy, sờ không được. Vậy vì sao con mắt của kĩ sư có thể “nhìn thấy” ứng suất bên trong vật liệu mà thiết kế kích thước mặt cắt của cấu kiện công trình một cách hợp lí nhỉ?

Hoá ra là, biến dạng là hình ảnh của lực. Ví dụ như khi bạn dùng hai tay kéo sợi dây cao su, sợi dây bị kéo dài ra cho thấy lực mà bạn dùng. Sợi dây mà bạn kéo càng dài, chứng tỏ lực mà bạn dùng càng lớn. ứng suất cũng có hình ảnh riêng của nó – đó là biến dạng. Biến dạng là độ biến đổi hình dạng của vật thể sinh ra bởi tác động của ứng suất kéo (hoặc ứng suất nén) hoặc ứng suất cắt. Độ lớn của biến dạng là tỉ số giữa lượng biến dạng và kích thước ban đầu của cấu kiện. Người kĩ sư thông qua biến dạng có thể nhìn thấy và nắm bắt được ứng suất mà người bình thường không thể nhìn thấy.

Quan hệ tỉ lệ của ứng suất và biến dạng do Hooke, một nhà vật lí học, người Anh, phát hiện ra ở thế kỉ XVII, và nêu ra thành định luật nổi tiếng mà sau này người ta gọi là định luật Hooke: trong giới hạn đàn hồi của vật thể, độ lớn biến dạng của vật thể tỉ lệ thuận với ngoại lực. Ví dụ, một thanh cao su dày cỡ chiếc bút máy, dài 30 cm, đầu dưới treo một vật nặng 10 kg, nó căng dài ra khoảng 5 cm; nếu vật treo vào nặng 20 kg thì sẽ căng dài ra 10 cm.

Biết được mối quan hệ tế nhị giữa ứng suất và biến dạng thì ứng suất giấu mình bên trong vật thể, mặc dù “xuất quỷ nhập thần” cũng không qua được “con mắt tinh tường” của người kĩ sư.

Từ khoá: Ứng suất; Biến dạng; Định luật Hooke.