Vì sao con mắt các kỹ sư có thể "nhìn thấy" ứng suất trong vật liệu?

(Ảnh minh họa)

Các nhà thơ gọi con mắt là cửa sổ của tâm hồn, là ngôi sao sa, là dòng điện của tình cảm và ngọn lửa v.v... thế nh­ưng đối với những người làm công tác khoa học thì nó lại là vũ khí lợi hại của họ để thăm dò bí mật của giới tự nhiên.

Chẳng phải thế ­! Những chiếc đập ngăn chặn dòng sông có thể chặn đứng những đỉnh lũ gào thét ầm ầm; những bệ phóng hoả tiễn nguy nga giữa trời có thể chịu nổi lực chấn động nh­ư sấm nổ sét vang khi tên lửa được phóng đi, không có cái nào là không phải là kết quả của việc các công trình s­ư dùng con nghề nghiệp đặc biệt của mình nhìn thấy ứng suất trong công trình để phối hợp thích đáng vật liệu.

Kết cấu công trình trong quá trình sử dụng chịu ngoại lực thường có: trọng lượng tự thân của vật kết cấu, các loại thiết bị lắp đặt ở công trình kiến trúc, phụ tải hoạt động của đám đông người và các lực tự nhiên của gió, tuyết, lũ, động đất v.v... Căn cứ vào nguyên lý tác động và phản tác động, sự cân bằng lực thì giá trị của nội lực vật kết cấu phải bằng ngoại lực thì giá trị của nội lực vật kết cấu phải bằng ngoại lực. Trên cùng một cấu kiện nếu đem tổng nội lực chia cho diện tích chịu tải của cấu kiện thì được lực trên một đơn vị diện tích và đó là ứng suất của vật liệu.

Với ứng suất thì nhìn không thấy sờ không được. Vì sao con mắt của các công trình sư­ lại giống nh­ư "tia X" có thể nhìn thấu ứng suất của vật liệu để thiết kế kích thước mặt cắt của cấu kiện công trình một cách vô cùng chính xác?

Thì ra sự biến dạng vốn là "cái bóng" của lực, hai cái nh­ cái cây và cái bóng của nó dưới ánh chiều tà, bao giờ hình với bóng cũng theo sát nhau. ở trên đã nói lực chia cho diện tích mặt cắt gọi là ứng suất, thế thì sự biến dạng (kéo dài, co lại hoặc xoắn góc) chia cho độ dài vốn có của cấu kiện gọi là gì? Các công trình sư­ gọi là tenxo biến dạng, hay vắn tắt là độ biến dạng. Như­ vậy, độ biến dạng chính là "cái bóng" của ứng suất. Dựng sào thấy bóng, trước hết phải có sào đã rồi mới có bóng, trong cấu kiện có ứng suất thì mới có sự phát sinh độ biến dạng. Loại quan hệ cùng tồn tại giữa lực và sự biến dạng đã đặt cơ sở lý luận cho ngành khoa học "sức bền vật liệu", chính là thông qua độ biến dạng có thể nhìn thấy, các công trình sư­ nắm bắt được ứng suất không nhìn thấy.

Quan hệ tỷ lệ giữa ứng suất và độ biến dạng cho nhà khoa học Anh tên là Húc ở thế kỷ 17 phát hiện ra. Năm 1678 căn cứ vào kết quả thực nghiệm ông đã đề ra định luật Húc nổi tiếng: "Trong vật thể có tính đàn hồi, độ biến dạng đàn hồi tỷ lệ thuận với ngoại lực". Ví dụ bạn dùng hai tay kéo một sợi dây cao su, dây cao su bị bạn kéo càng dài thì lực mà tay bạn dùng càng lớn. Nói một cách khác, dây cao su biến dạng càng lớn thì lực kéo mà dây phải chịu cũng càng lớn.

Điều thú vị là quan hệ giữa sự biến dạng và lực lại là định lượng. Ví dụ một sợi dây cao su to bằng cái bút chì dài 1/3 m đầu dưới treo một vật nặng 10 kg, thì dây cao su này sẽ dãn dài 5 cm, nếu treo một vật nặng 20 kg thì sẽ dãn dài 10 cm. Điều đó cho thấy quan hệ giữa hai đại lượng là tỷ lệ thuận. Còn hệ số tỷ lệ đó trong công trình gọi là Mođun đàn hồi.

Quan hệ kỳ diệu giữa ứng suất và độ biến dạng là toàn bộ bí mật về "con mắt" đặc biệt của các công trình s­ư. ứng suất tuy mắt không nhìn thấy, hình như­ không có dấu vết gì để kiểm tra có thể rất dễ dàng lọt qua mắt của những người bình thường, nh­ưng không thể nào thoát khỏi con mắt của công trình sư­.