切应变是材料力学里 “变形分析” 的核心,就是用一个 “比值” 量化材料 “被剪歪” 的程度,跟生活里 “拧毛巾拧多紧”“推课本推多歪” 是一个道理。
第一步:“切应变” 不是 “拉长缩短”,是 “错动歪掉”
在理解公式前,得先分清切应变和咱们更熟悉的 “正应变”(拉长或压缩的变形):
正应变:比如拉橡皮筋,橡皮筋变长变细,是 “沿长度方向的伸长 / 缩短变形”,本质是 “线变形”。
切应变:比如用手推课本的上边缘,课本下边缘不动,上边缘往一侧移,课本从长方形变成 “平行四边形”;
这种 “平行于受力面的错动变形”,本质是 “角变形”,而切应变就是衡量这个 “角变形有多严重” 的指标。
关键定义:切应变用符号γ(伽马)表示,指的是材料发生剪切变形后,原本互相垂直的两个面,夹角的改变量(单位是 “弧度”,但不用怕,小变形下弧度值≈角度的正切值,不用复杂换算)。
第二步:切应变公式 γ = Δs /h
这是材料力学里分析剪切变形时最核心、最通俗的公式,没有之一。
| 公式符号 | 专业含义 | 通俗理解 | 生活例子(以 “推课本” 为例) |
|---|---|---|---|
| γ | 切应变 | 材料被 “剪歪” 的程度,
γ 越大,变形越严重 |
推课本后,课本从长方形变平行四边形的 “歪扭程度” |
| Δs | 剪切方向的相对位移 | 发生剪切时,物体上下(或左右)表面的 “错开距离” | 用手推课本上边缘,上边缘比下边缘多移动的距离(比如推了 2cm,Δs=2cm) |
| h | 物体在 “垂直于剪切方向” 的高度(或长度) | 被剪切部分的 “厚度” 或 “高度”,是衡量位移相对大小的 “基准” | 课本的厚度(比如课本厚 5cm,h=5cm) |
切应变 γ,其实就是 “错开的距离(Δs) ” 和 “物体本身的高度(h) ” 的比值。
这个比值越大,说明相对于物体自身尺寸,它被剪歪得越厉害。
举个具体例子:
情况 1:推一本厚 5cm 的课本,上边缘移了 1cm → γ=1cm/5cm=0.2(弧度),变形比较小。
情况 2:同样推这本课本,上边缘移了 3cm → γ=3cm/5cm=0.6(弧度),变形明显更严重,课本快 “歪倒” 了。
关键:如果两本不同厚度的课本,都移了 2cm—— 厚 10cm 的(γ=0.2)比厚 5cm 的(γ=0.4)变形更轻,因为 “相对错开量” 更小。
第三步:分清 2 个关键误区
很多人初学切应变会搞混,这两个点一定要拎清:
切应变是 “角变形”,不是 “线变形”
公式里的 γ 虽然用 “Δs/h” 计算,但它本质是 “角度”(单位弧度),不是 “长度” 或 “比例”。
比如 Δs/h=0.2,对应的角度约 11.3°(小变形下,γ≈tanγ,所以直接用 Δs/h 近似角度的弧度值)。
只和 “剪切方向的错动” 有关,和 “拉长缩短” 无关
比如一根钢筋,你把它拉长,这是正应变;
你把它 “拧麻花”,钢筋表面的格子从正方形变成平行四边形,这才是切应变,此时用 γ=Δs/h 计算的就是 “拧歪” 的程度。
第四步:判断材料会不会 “剪坏”
切应变公式不只是 “算变形”,更重要的是和 “切应力” 配合(通过剪切胡克定律 τ=Gγ,G 是剪切模量),判断材料能不能承受住剪切力:
先算实际切应变 γ(用 γ=Δs/h);
再通过 τ=Gγ 算出实际切应力 τ;
对比材料本身的 “抗剪强度”τmax—— 如果 τ≤τmax,材料不会被剪坏;
如果 τ>τ_max,材料就会被剪断(比如剪刀剪纸,就是纸的切应力超过了抗剪强度)。
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抗扭计算中,纵筋和箍筋的数量要达到平衡,同时要满足最小配筋率要求