外力、内力和应力

如题所述

(一)外力和内力

力是物体间的相互作用,这种作用使物体的机械运动状态发生改变。力是矢量,基本要素是大小、方向和作用点。在力的图示中用带箭头的线段代表力:线段的长度按一定比例尺表示力的大小;线段一端的箭头表示力的作用方向;线段的一个端点表示力的作用点。

对一个具体物体来说,力可以分为内力和外力。

外力:是指其他物体作用于所研究的物体上的力。外力又可以进一步分为面力和体力。①面力是指作用在物体表面上的力,如围岩的压力、流体压力、风力及固体间接触面的作用力。②体力是分布在物体内各质点上的力,如重力、电磁力等。

内力:是物体内质点间的相互作用力。内力又可分为固有内力和附加内力。①固有内力是指没有外力作用时物体内质点间的相互作用力。正是固有内力使物体保持其形状和特有的力学性质。②附加内力是在外力的作用下固有内力的改变量。显然,附加内力引起物体变形。因此,固体力学中所说的内力就是指附加内力。

内力和外力是相对的,视研究尺度不同而有所不同。例如,地心引力对地壳而言是外力,但对整个地球而言则是内力。

在外力作用下,地质体内将产生内力。为确定地质体内某一截面上的内力,通常采用截面法。设一地质体在若干外力作用下处于平衡状态(图3-1),沿M-N截面将其分为A、B两部分。取A部分为分离体。若使A部分保持平衡,截面M-N上必有连续分布的内力与A部分的外力构成平衡力系,这些作用于A部分M-N截面上的内力实际上是B部分对A部分的作用力,称为M-N截面上的内力。

图3-1 截面法示意图

(二)应力

为确定内力在M-N截面上的分布,在截面M-N上O点附近取一微小面积ΔA(图3-2),在面积ΔA上作用内力Δ,则:

构造地质学(第二版)

Pm称为该面积上的平均应力。

图3-2 应力示意图

显然,平均应力Pm并不能真正反映ΔP在ΔA上的真正分布状态,其近似程度与ΔA的大小有关。为求得应力在O点附近的真正分布状态,将ΔA取极限值,则:

构造地质学(第二版)

P称为截面M-N上点O处的全应力。

根据力的分解法则,可将全应力P分解为垂直M-N截面的应力——正应力和平行M-N截面的应力——剪应力。通常正应力用σ表示,剪应力用τ表示。根据力的合成原理,则有:

P222 (3-3)

国际单位制中,应力单位为帕[斯卡](Pa)(1Pa=1N/m2)。

正应力可使岩石受到压缩,称压应力,用正值表示(σ>0);也可以使岩石受到拉伸,称张应力,用负值表示(σ<0)。在固体力学和部分构造地质学教科书中,正应力的符号规定与此相反。

剪应力有使物体发生剪切滑移的趋势。使物体有顺时针剪切滑动趋势的剪应力为负值(τ<0),反之为正值(τ>0)。

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