什么是剪应变?
剪应变(γ,伽马)用来衡量材料在剪切力作用下的变形程度——这里的力平行于受力面,而不是垂直于它。与拉伸或压缩材料的正应变不同,剪应变会使形状发生倾斜,把一个矩形"剪"成平行四边形。它是一个无量纲量,常用弧度表示,数值上等于变形角的正切值。本计算器适用于任意一致的单位制,在工程与物理领域均可通用。
如何使用本计算器
先选择计算方式。如果你已知实际的几何变形,请输入侧向位移(Δx)以及与受力方向垂直测得的原始长度(L),工具会按 \(\gamma = \Delta x / L\) 计算。如果你已知的是受力情况,请切换到应力模式,输入剪应力(τ)和材料的剪切模量(G),工具会按 \(\gamma = \tau / G\) 计算。结果还会同时给出以度数表示的等效剪切角。
公式详解
这两种形式都来自剪切模量(又称刚性模量)的定义:\(G = \tau / \gamma\)。变形整理后即得 \(\gamma = \tau / G\)。从几何角度看,相同的应变等于顶面的位移 Δx 除以两面之间的高度 L,因此 $$\gamma = \frac{\text{Displacement } \Delta x}{\text{Length } L}$$ 在小变形情况下,\(\gamma \approx \theta\),即以弧度表示的畸变角。
计算实例
一个高 50 mm 的块体,其顶面被横向推动了 2 mm。则剪应变为 $$\gamma = \Delta x / L = \frac{2}{50} = 0.04$$ 对应的剪切角为 \(\arctan(0.04) \approx 2.29°\)。换一种方式:若某材料的剪切模量 \(G = 25\ \text{MPa}\),承受剪应力 \(\tau = 1\ \text{MPa}\),则 $$\gamma = \frac{1{,}000{,}000}{25{,}000{,}000} = 0.04$$ ——结果完全相同。
常见问题
剪应变用弧度还是度数表示?它本身是无量纲的,但在小变形下其数值等于以弧度表示的变形角。为方便理解,我们也会同时显示度数。
应力和模量该用什么单位?两者必须使用相同单位(例如都用 Pa,或都用 MPa);由于应变无量纲,单位会相互抵消。
长度需要特定单位吗?不需要——Δx 和 L 只要使用相同单位即可(mm、in、m 都行)。它们的比值是无量纲的。