Проблемы с соединением напряжения и силы в механике сплошных сред с моей концепцией силы из точечной механики

Я не очень хорошо знаком с механикой сплошных сред, и мне трудно сочетать свои знания о силах из простой механики с тем, что я читал о механике сплошных сред.

Допустим, у нас есть металлический стержень определенной длины и квадратичной площади поперечного сечения А который подвергается стрессу о .

1) Каков именно физический смысл силы Ф "=" о А ? Мое нынешнее понимание сил заключается в том, что им нужна точка приложения — где эта точка будет? Это одна точка? Все точки площади поперечного сечения сразу? Последнее, кажется, противоречит представлению о том, что сила становится меньше, если я рассматриваю только часть площади:

Если я разделю площадь поперечного сечения А на ряд более мелких областей А я , я могу рассчитать силы Ф я "=" о А я . С А "=" я А я , у нас также есть Ф "=" я Ф я . Это создает впечатление, что Ф является своего рода кумулятивной величиной и ставит вопрос: каков физический смысл Ф я ?

Пытаясь обобщить это дальше, мы также можем допустить различные значения напряжения. о я для разных областей А я и даже сделать площади бесконечно малыми, чтобы мы получили распределение напряжений о ( Икс , у ) (для простоты предположим, что мы выбрали такое распределение, что на стержне нет чистого крутящего момента). Каков физический смысл «силы»? Ф "=" А о ( Икс , у ) д А ?

2) Что происходит математически? Нужно ли понятие силы как вектора с точкой приложения заменить неким векторным полем в механике сплошных сред (учитывая только напряжение в одном направлении и игнорируя дополнительные сложности, связанные с тензорной природой напряжения)? Если да, то как эти «площадные силы» (я также читал термин «поверхностная сила») могут сочетаться с силами, имеющими точку приложения (например, с весом точечной массы или твердого тела, где сила можно описать как действующую на его центр масс)? Для того, чтобы их можно было объединить, они должны быть описаны одной и той же математической структурой.

3) Теряет ли понятие силы как-то свое значение на пути, который я обрисовал в 1) выше? Является интегральной величиной Ф "=" А о ( Икс , у ) д А сила в одном из указанных выше смыслов или это величина с единицами силы, но не имеющая физического значения как сила?

Знакомы ли вы с математическим понятием дельта-функции Дирака?
Да. Это намекает на ответ на часть моего вопроса 2) в том смысле, что силы элементарной механики, относящиеся к точке, могут рассматриваться как предельные случаи сил, относящихся к поверхности или объему.
Да. Вы говорите о разнице между распределенной силой на поверхности и сосредоточенной точечной силой. Сосредоточенная точечная сила является пределом распределенной силы, поскольку площадь поверхности, к которой прикладывается сила, становится все меньше и меньше (в то время как результирующая сила остается постоянной). Это очень похоже на площадь под кривой f(x) в зависимости от x, когда f(x) приближается к дельта-функции Дирака.
Итак, теперь я вижу, как я могу получить точку приложения, если приму силу за постоянную и уменьшу область, к которой она прилагается. Но я все еще довольно в неведении относительно моих других вопросов. Если я поддерживаю постоянное напряжение и смотрю на все меньшие и меньшие области, сила также становится все меньше и меньше. Это не согласуется с моей интуицией. Кроме того, я до сих пор не могу понять «интеграл силы», о котором я упоминал.
Напряжение и сила — одно и то же. Если вы поддерживаете постоянное напряжение на большей площади, это в сумме приводит к большей растягивающей силе.
Мне все еще трудно понять значение интеграла в 1). Если я применю определенное распределение напряжения о ( Икс , у ) к розге и дать вам только Ф но нет о ( Икс , у ) вы не можете рассчитать реакцию стержня. Так что же дает знание Ф один тебе сказать? Является ли это значимой физической величиной?

Ответы (1)

Концептуальные трудности во многом разрешаются при разработке понятия тяги .

Тяга ( Т ) — векторное поле, представляющее силу на единицу площади, действующую на дифференциально ориентированную поверхность в некоторой точке тела; Я обычно думаю о тяге как о фундаментальной концепции, которая затем становится силой после интегрирования, но вы можете думать о ней как о пределе силы, действующей на произвольную поверхность на площадь поверхности, когда вы сжимаете поверхность до точки.

Тогда естественно заметить, что тяга в точке изменяется, когда вы меняете ориентацию крошечной поверхности в этой точке, но она должна изменяться определенным образом (тяга уравновешивается при равновесии и т. д.).

Это мотивирует развитие концепции, называемой тензором напряжений. о ¯ ¯ , представляющее собой тензорное поле в пространстве, которое может дать вам тягу в точке, выбрав ориентацию н ^ дифференциальной поверхности в данной точке. Уравнение, с помощью которого это делается:

Т "=" н ^   о ¯ ¯

Именно по этой причине напряжение является математическим объектом, используемым для описания механических состояний в непрерывной системе, а не тяги/силы. Подробный вывод этого можно найти практически в каждой книге по механике сплошных сред; см. книгу AJM Spencer или книгу Mase-Smelser-Mase .

Чтобы включить точечные силы в эту модель, вы должны либо «интегрировать модель» и использовать силы за счет пространственного разрешения, либо преобразовать точечную силу в распределенную силу на очень небольшой площади, что является истинным физическим сценарием. Надеюсь это поможет!