第三讲、什么是剪切力:根据材料力学的定义“剪切”是在一对(1)相距很近、(2)大小相同、(3)指向相反的横向外力作用下,材料的横截面沿该外力作用方向发生的相对错动变形现象。能够使材料产生剪切变形的力称为剪力或剪切力。 至于“剪切力”的来源,当然是压力造成的。也可以说,剪切力是一种特殊形式的压力。以上的定义是材料力学给出的。
我们的祖先、山顶洞人,拿着标枪追赶动物,在奋力投出时,他们考虑的是力要足够大、方向是猎物、作用点是猎物的中心,以确保能击中猎物,当击中时刻,箭头一定会给猎物造成剪切创伤。
图1 手握标枪与狩猎收获
图2 古人狩猎用标枪、箭的过程
农妇用刀切菜,只要把菜放在砧板上,然后,想切什么部位,就直接下刀,事前事后、从不需要考虑什么指向相反的横向外力,就能完美的完成剪切行为,那么定义中的横向外力什么用意、起什么作用,是永远也无法说清楚的、因它不符合力的三要素。
图 3 剪刀剪头发
思考:如果剪刀的刃锋处有缝隙,大小与头发接近,头发能否全部剪断?答案是不能完全剪断,因为缝隙稍大于头发直径时无法剪断,受两个支点转动。当缝隙稍小于头发直径时,头发也不能完全剪断,有时头发可能受力变形而压扁、不会断。
图 4 菜刀在砧板上切菜
剪与切的区别在于:上下刃锋相对,被剪物体同时经过刃锋后,形成两个部分的现象是剪。上有刃锋,下为垫板,物体放在垫板上被刃锋经过后,分为两部分的现象是切。
用剪刀裁剪纸张、布料、线绳,只是上下刃锋相对用力,就可完成剪切,如果你把上下刃锋按定义给出一个缝隙,从理论分析也是行不通的,因为你给定一个平行微小的缝隙,这个缝隙的距离是多少,几百年来无人给出,从理论上就有缺陷。剪刀的两力相对,形成摩擦交汇点移动是因为工艺上的要求、方便连续剪切,并不需要要留出缝隙,形成平行力。如果上下两个力,作用点不同最直接的效果是产生扭矩、导致被裁剪体的旋转。
在剪切力的定义中,最准确的只有一句话:剪切力是一种特殊形式的压力。
这句话表达了剪切是压力的一种形式,在大多数情况下与压力有共存共生关系。它继承了压力的一些基本特性,即大小、方向和作用点。根据这句话我们可以对剪切力按牛顿力的三要素进行定义。
剪切力是描述压力的一种破坏现象,压力是平均力,平均力没有力差,在压力面内没有力差、就没有变形破坏的动力。但是,在压力边缘会形成力差,这个差值就是压力值,单位量就是力,N或KN。剪切力的方向平行于压力方向,作用点分布在应力边缘的闭合线上。
当压力面积一定,其周长围成的面积越小、剪切现象越突出显。当压力周长围成的面积趋于零时、压力值趋于无穷大、此时就形成了纯剪切。刀、剪刀,就是这种工作原理。而箭、子弹头就是利用纯剪切,将应力面积趋于零的趋势。
图5 圆柱、圆台、圆锥, 随底部受力面减小,压力增大,剪切现象突出
当某物质体在压缩试验中产生了极限压力(应力应变曲线出现应力减小,应变增加的现象。此时曲线的峰值压力就是极限压力),则极限压力值与受力面积之积,就是纯剪切的剪力值。
刀、剪刀、箭,它们最大的特点是受力面积无限小,达到最大的应力值,以达到剪切破坏的压力或剪切力。刀用久了就会比较费劲,是刀刃的受力点有增大现象、刃锋变厚现象,磨刀的目的,就是为了减小刀刃的受力点面积。
传统的剪切力,定义模糊,造成了材料力学的混乱复杂、并形成了一些无法验证的理论和观点,使材料力学、结构力学中只能从试验或经验中寻求出路,而不得不加入系数、常数,由纯理论的学科变为半理论、半经验的学科,导致不断失去理论,很难向前发展。
重新定义剪切力,可以打破基础力学的瓶颈,使材料力学、结构力学可以得到快速发展。更能使材料力学、结构力学因此变得简单易学,将来一定会作为中学物理的普通课程进行学习和掌握的。
下次第四讲、剪应力
同学们可以先预习一下,什么是剪应力,
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