切应力互等定理是怎么推导出来的呢?为什么是这样子的?

切应力互等定理是怎么推导出来的呢?为什么是这样子的?

emmm读过的教科书都写得太含蓄了,可能都觉得这个定理太简单了吧,所以懒得给学生掰开了来讲。我单看楼里的这些回答也看得糊里糊涂,所以自己想了一会,写了一个我自己想出来的零基础推导过程。不保证对,但相信你看完这个推导过程,不会再有关于这个定理的额外的疑问。

【关键点】

大家看教材很容易忽略几个重要的问题:

因为三维空间,任意一个力可以分解为三个互相垂直的力,所以每个面上才有一个正应力和两个切应力!

2. 为什么我们只画3个面的应力出来呢?

因为和这三个面对应的另外三个面上的应力,都和这三个面大小相等、方向相反呀!所以人们自动忽略了另外三个面上的应力,没有画在这个立方体上。但我下面的手稿上从两个视角画出来所有六个面上的应力。从背面看到的应力下标都用大写字母表示。

3. 为什么相对的两个面上的应力一定大小相等方向相反呢?

因为这个六面体被我们认为是无线小的六面体,小到可以看作一个点。既然这么小,那么相对的两个面,可以看作它们是在同一个面上,所以这些力自然要两两平衡。

4. 了解了上面几点之后,再回过头来看切应力互等定理。

前面三个假设,固然可以保证这个六面体的力是平衡的。但力矩(或者说力偶)却不能保证平衡。

在我下面的手稿中,我拆掉了垂直于y轴的两个面。你可以看到,在剩下的四个面中,刚好存在两对力偶,它们可以成为让这个立方体绕y轴自转的一个动力。

为了让六面体不转动,所以,这两对力偶必须平衡,因此就有了切应力互等定理。

5. 到此为止,这个微小六面体才最终实现了受力平衡、弯矩平衡。