Чтение онлайн

на главную

Жанры

Фейнмановские лекции по физике. 7. Физика сплошных сред
Шрифт:

S xn =S xx n x +S xy n y

рели теперь обобщить это на произвольный элемент поверхности, то мы получим

Sxn= Sxxnx+Sxyny+Sxznz,

или в еще более общей форме:

Так

что мы действительно можем выразить силу, действующую на произвольную площадь, через элементы Sijи полностью описать внутреннее напряжение.

Уравнение (31.24) говорит, что тензор Sij связывает силу Sn с единичным вектором n точно так же, как aijсвязывает Р с Е. Но поскольку n и Sn — векторы, то компоненты Sijпри изменении осей координат должны преобразовываться как тензор. Так что Sijдействительно тензор.

Можно также доказать, что Sij симметричный тензор. Для этого нужно обратить внимание на силы действующие на маленький кубик материале. Возьмем кубик, rpaни которого параллельны осям координат, и посмотрим на eго разрез (фиг. 31.9).

Фиг. 31.9. х- и у-компоненты сил, действующих на четыре грани маленького единичного кубика.

Если допустить что ребра куба равны единице, то х- и y-компоненты сил на гранях, перпендикулярных к осям х и у, должны быть такими, как показано на рисунке. Если взять достаточно маленький кубик, можно надеяться, что напряжение на его противоположных гранях будет отличаться ненамного, а поэтому компоненты сил должны быть равны и противоположны, как это показано на рисунке. Заметьте теперь, что на кубик не должен действовать никакой момент си иначе кубик начал бы вращаться. Но полный момент относительно центра равен произведению (Syx– Sxy) на единичную длину ребра куба, а поскольку полный момент равен нулю, то S должно быть равно Sxy, и тензор напряжений, таким образом, оказывается симметричным.

Благодаря этой симметрии тензора Sijего можно то; описывать эллипсоидом с тремя главными осями. Напряжение имеет особенно простой вид на площадках, нормальных к этим: осям: оно соответствует чистому сжатию или растяжению в направлении главных осей. Вдоль этих площадок нет никак сдвиговых сил, причем такие оси, для которых отсутствуют сдвиговые силы, можно выбрать для любого напряжения. Если эллипсоид превращается в сферу, то в любом направлении действуют только нормальные силы. Это соответствует гидростатическому давлению (положительному или отрицательном. Таким образом, для гидростатического давления тензор диагонален, причем все три компоненты его равны друг другу (фактически они просто равны давлению р). В этом случае мы можем написать

(31.25)

Вообще говоря, тензор напряжений в куске твердого тела, а также его эллипсоид изменяются от точки к точке, поэтому для описания всего куска мы должны задать каждую компонен­ту Sijкак функцию положения. Тензор напряжений, таким об­разом, является полем. Мы уже имели примеры скалярных по­лей, подобных температуре Т(х, у, z), и векторных полей, по­добных Е(х, у, z), которые в каждой точке задавались тремя числами. А теперь перед нами пример тензорного поля, задавае­мого в каждой точке пространства девятью числами,

из кото­рых для симметричного тензора Sijреально остается только шесть. Полное описание внутренних сил в произвольном твер­дом теле требует знания шести функций координат х, у и z.

§ 7. Тензоры высших рангов

Тензор напряжений Sijописывает внутренние силы в веществе. Если при этом материал упругий, то внутренние деформа­ции удобно описывать с помощью другого тензора Tij— так называемого тензора деформаций. Для простого объекта, подоб­ного бруску из металла, изменение длины DL, как вы знаете, приблизительно пропорционально силе, т. е. он подчиняется закону Гука

DL=gF.

Для произвольных деформаций упругого твердого тела тензор деформаций Tijсвязан с тензором напряжений Sijсистемой линейных уравнений

Вы знаете также, что потенциальная энергия пружины (или бруска) равна

а обобщением плотности упругой энергии для твердого тела будет выражение

Полное описание упругих свойств кристалла должно задаваться коэффициентами gijkl. Это знакомит нас с новым зверем — тен­зором четвертого ранга. Поскольку каждый из индексов может принимать одно из трех значений — х, у или z, то всего ока­зывается 34=81 коэффициент. Но различны из них на самом де­ле только 21. Во-первых, поскольку тензор Sij симметричен, у него остается только шесть различных величин, и поэтому в уравнении (31.27) нужны только 36 различных коэффициен­тов. Затем, не изменяя энергии, мы можем переставить Sijи Skl, так что gijkl должно быть симметрично при перестановке пары индексов ij и kl. Это уменьшает число коэффициентов до 21. Итак, чтобы описать упругие свойства кристалла низшей воз­можной симметрии, требуется 21 упругая постоянная! Разу­меется, для кристаллов с более высокой симметрией число необходимых постоянных уменьшается. Так, кубический кри­сталл описывается всего тремя упругими постоянными, а для изотропного вещества хватит и двух.

В справедливости последнего утверждения можно убе­диться следующим образом. В случае изотропного материала компоненты gijklне должны зависеть от поворота осей. Как это может быть? Ответ: они могут быть независимы, только когда выражаются через тензоры dij. Но существует лишь два воз­можных выражения, имеющих требуемую симметрию,— это dijdkl и dikdjl+dil+djk, так что gijkl должно быть их линейной комбинацией. Таким образом, для изотропного материала

gijkl =а(dijdkl) + b(dikdjl+dildjk);

следовательно, чтобы описать упругие свойства материала, тре­буются две постоянные: а и b. Я предоставляю вам самим до­казать, что для кубического кристалла требуются три такие постоянные.

И еще один последний пример (на этот раз пример тензора третьего ранга) дает нам пьезоэлектрический эффект. При на­пряженном состоянии в кристалле возникает электрическое поле, пропорциональное тензору напряжений. Общий закон пропорциональности имеет вид

Поделиться:
Популярные книги

Лисья нора

Сакавич Нора
1. Всё ради игры
Фантастика:
боевая фантастика
8.80
рейтинг книги
Лисья нора

Последний Паладин. Том 4

Саваровский Роман
4. Путь Паладина
Фантастика:
фэнтези
попаданцы
аниме
5.00
рейтинг книги
Последний Паладин. Том 4

В теле пацана

Павлов Игорь Васильевич
1. Великое плато Вита
Фантастика:
фэнтези
попаданцы
5.00
рейтинг книги
В теле пацана

Последний Паладин. Том 7

Саваровский Роман
7. Путь Паладина
Фантастика:
фэнтези
попаданцы
аниме
5.00
рейтинг книги
Последний Паладин. Том 7

Возвышение Меркурия. Книга 5

Кронос Александр
5. Меркурий
Фантастика:
боевая фантастика
попаданцы
аниме
5.00
рейтинг книги
Возвышение Меркурия. Книга 5

Попаданка для Дракона, или Жена любой ценой

Герр Ольга
Любовные романы:
любовно-фантастические романы
7.17
рейтинг книги
Попаданка для Дракона, или Жена любой ценой

Кровь, золото и помидоры

Распопов Дмитрий Викторович
4. Венецианский купец
Фантастика:
альтернативная история
5.40
рейтинг книги
Кровь, золото и помидоры

Измена. Ребёнок от бывшего мужа

Стар Дана
Любовные романы:
современные любовные романы
5.00
рейтинг книги
Измена. Ребёнок от бывшего мужа

Новик

Ланцов Михаил Алексеевич
2. Помещик
Фантастика:
альтернативная история
6.67
рейтинг книги
Новик

Истребители. Трилогия

Поселягин Владимир Геннадьевич
Фантастика:
альтернативная история
7.30
рейтинг книги
Истребители. Трилогия

Я все еще граф. Книга IX

Дрейк Сириус
9. Дорогой барон!
Фантастика:
боевая фантастика
попаданцы
аниме
5.00
рейтинг книги
Я все еще граф. Книга IX

Бальмануг. (не) Баронесса

Лашина Полина
1. Мир Десяти
Фантастика:
юмористическое фэнтези
попаданцы
5.00
рейтинг книги
Бальмануг. (не) Баронесса

Ночь со зверем

Владимирова Анна
3. Оборотни-медведи
Любовные романы:
любовно-фантастические романы
5.25
рейтинг книги
Ночь со зверем

Случайная жена для лорда Дракона

Волконская Оксана
Фантастика:
юмористическая фантастика
попаданцы
5.00
рейтинг книги
Случайная жена для лорда Дракона