Doposud jsme pouze popisovali pohyb kontinua a neuvažovali jsme o silách, které na ně působí. Tuhé těleso, na které v různých místech působí síly, jejichž vektorový součet a moment jsou rovny nule, je v rovnováze (viz I, čl. 5.8). Pro stav tuhého tělesa není podstatné, jak velké jsou síly, které těleso udržují v rovnováze. V kontinuu vede různá velikost sil, které na ně v jednotlivých místech působí, i když kontinuum jako celek je v rovnováze, k různému stavu kontinua. Podle velikosti sil dochází k různě velkým deformacím či rychlostem deformací kontinua. Stav kontinua podrobeného vnějšímu silovému působení charakterizu-jeme veličinou, kterou nazýváme napětí.
Nejjednodušší případ tělesa v rovnováze,
na něž působí vnější síly v různých bodech, je tyč délky l,
na kterou v koncových bodech A,
B působí ve směru tyče stejně velké
síly opačného smyslu
(viz obr.4). Dále budeme předpokládat, že
libovolný úsek tyče
je v rovnováze. V koncových
bodech
úseku
pak působí stejné síly
jako v koncových bodech A, B
tyče délky l. V limitním případě nekonečně krátkého úseku
můžeme chápat síly
jako dvě síly charakterizující stav
napjatosti v bodě. Na obr.5 jsme tento bod označili P. Bod
P je libovolný bod tyče, a proto
v uvažovaném případě je stav napjatosti stejný v každém bodě tyče.
Doposud jsme neuvažovali příčné rozměry tyče, a proto mluvíme o stavu
napjatosti a ne přímo o napětí v bodě
P.
Na obr.6 je znázorněna tyč délky l,
jejíž průřez má velikost S. Opět předpokládáme, že na koncích
tyče působí síly
a stejné dvě síly působí na libovolný
úsek
tyče. V limitním případě nekonečně
krátké tyče
docházíme k představě sil
působících na jedinou plochu p.
Jelikož plocha p vznikla limitním
zkracováním tyče, mohli bychom též mluvit o dvojploše p.
Pro
stav kontinua je jistě důležité, jak velkým průřezem S jsou síly
přenášeny. Veličinu napětí zavedeme proto tak, že dělíme velikost působících sil
velikostí průřezu S. Pro uvažovanou plochu p
procházející libovolným bodem tyče je si pak možno představit napětí
jako dvojici vektorů
,
jak je znázorněno na obr.7. Velikost T
vektorů
je rovna
.
Předpokládáme, že v dostatečné vzdálenosti od konců tyče je silové
působení rovnoměrně rozprostřeno podél celého příčného průřezu tyče a tedy
nezávisí na konkrétním způsobu, jakým je síla
na konci tyče realizována. Uvedenému,
experimentálně ověřenému, předpokladu se říká Saint-Venantův princip
(podrobněji čl.3.2 nebo [1], čl.6.6). Napětí na plochách kolmých k ose
tyče má tedy přesně tvar znázorněný na obr.7 pouze pro body dostatečně vzdálené
od konců tyče.
Tím, že silové působení
F vydělíme velikostí průřezu
S a zavedeme pojem napětí T
(rozměr veličiny napětí je zřejmě síla/(délka)2 ), přestáváme
být vázáni na konkrétní příčný průřez tyče a pro stanovení napětí je důležitá
pouze orientace plochy a ne její velikost. Napětí na různě orientovaných
plochách procházejících daným bodem je obecně různé. Napětí na ploše kolmé
k ose tyče z obr.6 znázorněné na obr.7 je velmi jednoduchým typem
napětí, kdy vektor
je kolmý k uvažované ploše p.
Takovému napětí budeme říkat čistý tah.
Jiným
jednoduchým, často uvažovaným, případem napětí je čistý smyk. Mějme kvádr namáhaný způsobem znázorněným na obr.8.
Uložení U kvádru je takové, aby zabránilo jeho převrhnutí. Síly působící od
uložení na kvádr vyrovnají nenulový výsledný moment sil
na nulovou hodnotu, takže kvádr jako celek
je v rovnováze. Obdobně jako v případě tahu budeme předpokládat, že
na každý menší kvádr - na obr.9 je jeden z takových kvádrů znázorněn
šrafováním - znovu působí síly
.
Jestliže výška šrafovaného kvádru konverguje k nule a předpokládáme-li, že
vzniklá plocha (dvojplocha) je
natolik vzdálená od spodní i vrchní podstavy kvádru, aby silové působení podél
plochy bylo rovnoměrné, docházíme k představě smykového napětí znázorněného
na obr.10. Velikost T
vektoru napětí
je rovna velikosti F síly
dělené plochou S podstavy kvádru;
.
.
Mějme nyní kontinuum
libovolného tvaru, na něž působí v různých bodech síly
(obr.11). Potom na plochu p proloženou libovolným bodem P
kontinua působí vektor napětí
,
který svírá nějaký obecný úhel a
s normálou
plošky. Je-li takové napětí typu
znázorněného na obr.11, nazýváme jej obecné
tahové napětí. Samostatně je případ obecného tahového napětí znázorněn na
obr.12a) a schematicky jej budeme
značit symbolem nakresleným na obr.12b).
Působí-li síly na tyč
způsobem znázorněným na obr.13a),
říkáme, že tyč je vystavena tlakovému namáhání. Na plochách kolmých ke směru
sil
působí pak v dostatečné vzdálenosti od
konců tyče čisté tlakové napětí stručně
čistý tlak, který je schematicky
znázorněn na obr.13b). Směřuje-li
vektor napětí
k uvažované ploše, ale není k ní
kolmý, mluvíme o obecném tlakovém napětí.
Na obr.14 jsou schematicky znázorněny všechny právě popsané druhy napětí. Obr.14a) znázorňuje čistý tah, b) čistý smyk, c) čistý tlak, d) obecné tahové napětí, e) obecné tlakové napětí.
Obdobně jako jsme se v I, čl.1.2 snažili
zavést rychlost a v předcházejících dvou článcích deformaci a rychlost
deformace jako charakteristiky bodu, je z početních důvodů velmi výhodné
zavést i napětí jako veličinu udanou pro každý bod kontinua. V případě
rychlosti jsme problém vyřešili tak, že jsme hmotnému bodu přiřadili vektorovou
veličinu charakterizující jeho rychlost v každém okamžiku. V případě
napětí, stejně jako jsme to provedli pro deformaci a rychlost deformace,
přiřadíme každému bodu kontinua symetrický tenzor druhého řádu, který popíše
stav napětí v daném bodě. Každým bodem kontinua lze proložit nekonečně
mnoho různě orientovaných plošek. Napětí na každé plošce může obecně být různé.
Zjistíme nyní, do jaké míry mohou napětí na různých plochách procházejících
daným bodem být různá a zda je možné, známe-li napětí na některých z nich,
vypočítat napětí na plochách zbývajících.
V bodě P kontinua budeme uvažovat napětí na plochách
kolmých k osám kartézské souřadnicové soustavy (viz obr.15). Na obrázku
kreslíme tato napětí jako obecná tahová napětí. Napěťový vektor působící na
plochu kolmou k i-té ose souřadnic
značíme
.
Kladnou hodnotu napěťového vektoru kreslíme na stěnách ploch přivrácených ke
kladnému smyslu příslušných kartézských os. Kartézské složky napěťo-vého
vektoru
budeme značit
a obdobné značení užijeme i pro další dva
vektory, tedy
![]() |
(1,75) |
Zjistíme nyní, zda na základě znalostí těchto devíti složek vektorů
lze určit složky
vektoru napětí
,
který působí na ploše procházející bodem
P, jejíž normálový vektor
má složky
.
Budeme uvažovat v okolí bodu
P elementární čtyřstěn tvořený
třemi plochami kolmými k souřadnicovým osám a jednou plochou, jejíž
normála je
.
Čtyřstěn je znázorněn spolu s napěťovými vektory
na obr.16. Předpokládáme, že čtyřstěn je
v rovnováze. Pro rovnováhu jsou podstatné vnější síly působící na
čtyřstěn. Na obr.16 jsou to ze sil působících na jeho stěny - takovým silám
říkáme plošné síly - síla
a síly na plochách odvrácených od kladného
smyslu kartézských os, tj. síly
,
a
.
Velikost plochy kolmé k první souřadnicové ose je označena
a analogický význam mají výrazy
.
Velikost plochy s normálou
je označena
S.
Kromě plošných sil působí na čtyřstěn ještě objemová síla
.
Objemovou sílu zavádíme obdobně jako hustotu (viz (I5,5) ) limitním
vztahem
![]() |
(1,76) |
kde
je síla působící na konečný objem V obklopující bod, v němž vztahem
(1,76)
určujeme objemovou sílu. Nejčastěji uvažovanou objemovou silou je tíže.
Čtyřstěn z obr.16 pokládáme za elementární. Potom
napěťové vektory
pokládáme za konstantní podél příslušných
stěn čtyřstěnu a sílu
za konstantní v celém objemu čtyřstěnu.
Označíme-li V objem čtyřstěnu a
uvědomíme-li si, že S
je velikost plochy, na níž působí vektor
a
velikosti ploch, na něž působí vektory
,
můžeme podmínku rovnováhy čtyřstěnu zapsat v tvaru
![]() |
(1,77) |
Objem čtyřstěnu vyjádříme jako
![]() |
(1,78) |
když
plochu S pokládáme za jeho
základnu a h za jeho výšku kolmou
k ploše S. Plocha
je rovna ploše S násobené kosinem úhlu
,
který svírají roviny S
a
.
Na obr.17 je pohled na roviny S
a
ve směru jejich průsečnice. Symbolem i je označena
i-tá osa souřadnic.
Z obrázku je patrno, že úhel
je totožný s úhlem, který svírá
normála
plochy
S s i-tou osou souřadnic. Složky jednotkového vektoru, tedy i
normálového vektoru
,
jsou rovny kosinům úhlů, které vektor svírá s osami souřadnic. Tedy
,
a jelikož
,
můžeme psát
![]() |
(1,79) |
Použijeme vztahů (1,78) , (1,79) a rovnici (1,77) přepíšeme na tvar
![]() |
(1,80) |
Rovnici (1,80) vykrátíme nenulovým výrazem S. Dále budeme předpokládat, že objem čtyřstěnu, a tedy i jeho výška h, konvergují k nule. V limitě vymizí poslední člen rovnice (1,80) a rovnici můžeme přepsat na tvar
![]() |
(1,81) |
Při konvergenci objemu čtyřstěnu k nule předpokládáme,
že jeho tvar, tj. orientace jeho stěn, zůstává zachovaný. Pak plocha S čtyřstěnu konverguje k poloze, kdy
prochází bodem P a její směr je dán stejným normálovým
vektorem
jako dříve. Pro stanovení napětí na ploše
není rozhodující velikost této plochy, ale pouze její orientace. Proto lze
rovnicí
(1,81)
určit napětí na ploše s normálou
,
i když velikost odpovídající plochy čtyřstěnu v limitě konverguje
k nule. Rovnice
(1,81)
říká, že napěťovou sílu na ploše procházející
bodem P, která má normálu
,
můžeme určit, známe-li napěťové síly
působící na plochách kolmých ke kartézským
osám souřadnic a dává předpis, jak tuto napěťovou sílu vypočítáme. Ve složkové
symbolice s užitím sčítacího pravidla můžeme rovnici
(1,81)
přepsat na
tvar
![]() |
(1,82) |
kde
značí složky vektoru
a
jsou v tabulce
(1,75)
udané složky
vektorů
.
Z rovnice
(1,82)
je zřejmé, že k určení napětí na libovolné plošce
procházející bodem P - její orientaci
udává normálový vektor
- stačí znát devět složek
napěťových vektorů
.
Těchto devět složek určuje stav napětí v daném bodě.
Při
odvození vztahu
(1,82)
jsme vyšli z podmínky, že při rovnováze musí
výsledná síla působící na konečný objem kontinua být nulová. Co plyne
z druhé podmínky rovnováhy, která praví, že výsledný moment sil působící
na konečný objem kontinua je nulový? Kolem bodu P z obr.15 si budeme
myslet v kontinuu vymezenou krychli o straně a se středem v bodě P. Stěny krychle jsou kolmé ke kartézským
souřadnicovým osám (obr.18). Budeme předpokládat, že celá krychle se nachází
v diferenciálním okolí bodu P neboli budeme předpokládat, že stav napětí
v každém bodě krychle je stejný jako v bodě P. Je-li v nějaké oblasti kontinua v každém bodě stejný
stav napětí, mluvíme o homogenním napětí.
V celé uvažované krychli je homogenní napětí, což znamená, že napětí
v každém jejím bodě včetně stěn je určeno stejnými vektory napětí
,
tj. stejnými složkami
těchto vektorů. V uvažovaném
diferenciálním objemu i objemová síla
má v každém bodě stejnou hodnotu, a
tedy výsledný moment této síly vůči bodu
P je nulový. Výsledný moment
vnějších sil je potom dán pouze výsledným
momentem vnějších plošných sil. Vnější plošné síly na stěnách kolmých k i-té souřadnicové ose jsou
pro stěnu, jejíž normála má smysl shodný
s kladným smyslem i-té
osy a
pro stěnu, jejíž vnější normála má
opačný smysl, než je kladný smysl i-té osy. Vzhledem k homogenitě napětí je
možno působiště sil
,
respektive
,
položit do středu příslušných stěn krychle. Polohový vektor středu stěny, na
níž působí síla
,
vůči bodu P označíme
,
polohový vektor síly
je potom
.
S tímto označením dostáváme pro výsledný moment
vnějších sil působících na uvažovanou
krychli vyjádření
![]() |
(1,83) |
Z obr.18 je zřejmé, že vektory
mají složky
![]() |
(1,84) |
Uvážíme-li, že složky vektorů
jsou dány výrazy
(1,75)
, dostáváme přímým
výpočtem z
(1,83)
pro jednotlivé složky momentu
vyjádření
![]() |
(1,85) |
Jelikož předpokládáme, že krychle je v rovnováze, musí
výsledný moment
vnějších sil být nulový. Z rovnice
(1,85)
potom plyne
![]() |
(1,86) |
neboť zřejmě
.
Složky napěťových vektorů
(1,75)
nejsou nezávislé, ale musí splňovat vztahy
(1,86)
. Devět složek vektorů
,
z kterých lze dle
(1,82)
vypočítat napětí na libovolné plošce, není
nezávislých, ale musí splňovat vztahy
(1,86)
, které můžeme stručně zapsat
v tvaru
![]() |
(1,87) |
Pro
je rovnice
(1,87)
obecným vyjádřením rovnic
(1,86)
a pro
je samozřejmou identitou. Vzhledem
k platnosti vztahů
(1,86)
, respektive
(1,87)
, stačí k úplnému určení
stavu napětí v libovolném bodě P kontinua znalost šesti čísel
.
Složky vektorů napěťových sil
(1,75)
na plochách kolmých ke kartézským
souřadnicovým osám se transformuje dle rovnic (I6,44), tedy jako složky
tenzoru druhého řádu. Důkaz tohoto tvrzení lze najít v [1], str.103 - 110,
stejně jako obecný důkaz vztahu
(1,87)
, který znamená, že tenzor
je symetrický.
Můžeme shrnout:
Stav napětí v každém bodě kontinua je popsán tenzorem napětí
. Je to symetrický tenzor druhého řádu. Jeho složkami jsou složky vektorů napěťových sil
působících na plochách proložených daným
bodem kolmo ke směru kartézských souřadnicových os (viz
(1,75)
). Vektory
nejsou vzájemně zcela nezávislé, jejich
složky musí splňovat vztahy
(1,87)
, které určují, že tenzor je symetrický.
Vektor napětí
působící na ploše s normálou
procházející bodem, v kterém tenzor
napětí má složky
,
se vypočítá dle rov.
(1,82)
;
![]() |
(1,82) |
Ze způsobu zavedení
složek tenzoru
je zřejmé, že složky se shodnými indexy
a
značí čistě tahové (případně čistě tlakové,
když
) složky napěťových vektorů. Složka
je čistě tahová nebo čistě tlaková složka
vektoru napětí
působícího na ploše kolmé k první
souřadnicové ose a analogický je význam složek
.
Složky tenzoru se smíšenými indexy
skládají smykové složky vektorů napětí;
např. složky
a
skládají smykovou složku
vektoru
.
Na obr.19 je znázorněn rozklad vektoru napětí
na tahovou či tlakovou složku
a smykovou složku
.
Na obrázku jsou též naznačeny kartézské složky vektoru
neboli složky
a
tenzoru napětí. V symbolu
je užit index n, neboť se jedná o složku vektoru
do směru normály plochy, na kterou napěťový
vektor
působí.
V I, čl. 6.2 jsme zavedli symetrický tenzor momentu setrvačnosti a naznačili jsme, jak lze nalézt jeho hlavní osy. Jsou-li hlavní osy zvoleny za osy kartézské soustavy souřadnic, složky tenzoru se smíšenými indexy jsou v této soustavě souřadnic nulové. U tenzoru momentu setrvačnosti jsme složky se smíšenými indexy nazývali deviačními momenty.
Hlavní osy lze nalézt pro každý symetrický tenzor druhého
řádu, tedy i pro tenzor deformace a tenzor napětí. Podmínka analogická rovnici
(I6,50), tj. sekulární rovnici, je pro tenzor napětí velmi názorná. Hledáme-li
osy, vůči kterým jsou složky tenzoru
se smíšenými indexy nulové, znamená to
najít plochy, na kterých napětí je buď čistým tahem nebo čistým tlakem. Složky
vektoru napětí
na ploše procházející daným bodem, která má
normálu
,
udává rovnice
(1,82)
![]() |
(1,82) |
Má-li napětí na určité ploše být čistým tahem nebo čistým
tlakem, musí vektor napětí na této ploše mít stejný směr jako normála
plochy
,
tedy vektor napětí
musí být skalárním násobkem normály,
![]() |
(1,88) |
V rovnici
(1,88)
jsme skalár označili T,
abychom naznačili, že má fyzikální rozměr stejný jako
,
tedy rozměr napětí. Dosadíme-li požadavek
(1,88)
do rovnice
(1,82)
, dostáváme
rovnici (soustavu tří lineárních rovnic pro tři složky normály
)
![]() |
(1,89) |
jejímž řešením najdeme směry
,
v kterých je podmínka
(1,88)
splněna. Rovnice
(1,89)
je formálně shodná se
sekulární rovnicí (I6,50), a proto i
její řešení bude stejné. Rozdíl mezi hledaným vektorem úhlové rychlosti
v rovnici (I6,50) a hledaným
bezrozměrovým normálovým vektorem
v rovnici
(1,89)
je nepodstatný.
Zopakujme v I uvedený výsledek řešení sekulární rovnice a vyslovíme jej v pojmech rovnice (1,89) :
Existují tři navzájem kolmé směry, v kterých je rovnice
(1,89)
splněna. Proložíme-li těmito směry kartézskou soustavu souřadnic, budou
napětí na plochách kolmých k osám souřadnic čistými tahy nebo čistými
tlaky (na některé ploše může být čistý tah, na jiné čistý tlak). Vzhledem
k významu složek tenzoru napětí budou v této soustavě souřadnic
nenulové pouze složky
.
Budeme je nazývat hlavní napětí a
užívat pro ně zkrácené označení
.
Rovinám, na kterých tato napětí působí, budeme říkat hlavní roviny napětí a osám kolmým k těmto rovinám, tj. osám
kartézské soustavy souřadnic, jejichž směr je dán řešením rovnice
(1,89)
,
budeme říkat hlavní osy napětí a
jejich směry nazveme hlavními směry
napětí.
Při řešení konkrétních problémů často nastane případ, kdy
všechny napěťové síly
v různých bodech kontinua leží ve
vzájemně rovnoběžných rovinách. Položíme-li do jedné z těchto rovin první
a druhou osu kartézské soustavy souřadnic, budou třetí složky tenzoru napětí ve
všech bodech uvažovaného kontinua nulové. Napětí tohoto druhu označujeme jako
rovinné (podrobněji viz [1], čl. 8.3). Ve zvolené soustavě souřadnic je rovinné napětí popsáno třemi složkami
tenzoru napětí
![]() |
(1,90) |
Ukážeme nyní, jak lze nalézt hlavní osy tenzoru napětí v rovinném, tj. v dvojrozměrném případě. Rozepíšeme-li pro tenzor (1,90) sekulární rovnici (1,89) , dostáváme
![]() |
(1,89´) |
neboli
![]() |
(1,91) |
Poslední dvě rovnice jsou homogenní soustavou lineárních
algebraických rovnic pro neznámé složky
normálových vektorů. Tato soustava má
netriviální řešení (alespoň jedna složka
nenulová) pouze tehdy, když determinant
soustavy
![]() |
(1,92) |
je roven nule. Rovnice
(1,91)
jsou potom lineárně závislé a
každá z nich dává stejnou hodnotu poměru
hledaných složek normálového vektoru.
Protože normálový vektor je jednotkový vektor
(
), znalost poměru složek již plně určuje
vektor
.
Rozepíšeme-li podmínku, že determinant (1,92) je roven nule, dostáváme
![]() |
což je kvadratická rovnice
![]() |
(1,93) |
pro neznámou hodnotu napětí
T. Jejím řešením dostáváme dva
kořeny, tj. dvě hodnoty napětí
;
![]() |
(1,94) |
Každému kořenu odpovídá jedno řešení rovnice
(1,91)
, neboli
každému napětí
odpovídá jedna plocha s normálou
,
na které toto čistě tahové nebo čistě tlakové napětí působí. Složky normály
odpovídající prvnímu napětí
označíme
,
složky normály odpovídající napětí
označíme
.
Z rovnice
(1,91)
dostáváme pro poměr složek vektorů
vyjádření
![]() |
(1,95) |
![]() |
(1,96) |
V rovnicích
(1,95)
a
(1,96)
vždy první rovnost plyne
z první rovnice
(1,91)
a druhá z druhé rovnice
(1,91)
. Obě vyjádření
jsou ekvivalentní, o čemž se lze přesvědčit přímým dosazením hodnoty
dané rovnicí
(1,94)
do rovnice
(1,95)
a
hodnoty
do rovnice
(1,96)
. Takové dosazení je také
nutné, chceme-li přímo vypočítat složky vektorů
.
Z rovnice
(1,95)
, resp.
(1,96)
, získáme hodnoty poměrů
a
a přidáme-li podmínku
![]() |
(1,97) |
udávající, že vektory
jsou jednotkové, můžeme již hledané složky
určit.
Ukážeme dále, že vektory
jsou vzájemně kolmé. Skalární součin dvou
kolmých vektorů je roven nule. Mají-li být vektory
kolmé, musí tedy platit
![]() |
(1,98) |
Podmínku (1,98) můžeme přepsat na tvar
![]() |
neboli
![]() |
(1,99) |
Výraz
vypočteme z rovnic
(1,95)
a
(1,96)
.
Užijeme-li druhou z rovnic
(1,95)
a převrácenou hodnotu první
z rovnic
(1,96)
, dostaneme
![]() |
(1,100) |
Sečteme-li rovnice
(1,94)
, zjistíme, že
.
Výraz
(1,100)
je tedy roven nule a vektory
jsou vskutku vzájemně kolmé. Je-li
,
použitá argumentace selhává, ale v tomto případě čistý tah nebo čistý tlak
nastává právě na rovinách kolmých k osám původních kartézských souřadnic a
ty jsou samozřejmě vzájemně kolmé.
Pro rovinné napětí jsme právě dokázali všechna tvrzení,
která jsme o řešení sekulární rovnice v I, čl. 6.2 pouze uvedli a pro
obecné prostorové napětí v tomto článku zopakovali. Dokázali jsme, že pro
rovinné napětí má rovnice
(1,89)
řešení pro dva vzájemně kolmé směry
.
Na rovinách kolmých k těmto směrům působí tahová nebo tlaková napětí, a to
pro plochu s normálou
napětí
a pro plochu s normálou
napětí
.
Velikosti obou těchto napětí jsou dány rovnicemi
(1,94)
. Směry určené
normálami
jsou hlavními směry a napětí
hlavními napětími rovinného tenzoru napětí
(1,90)
.
Proložíme-li směry danými vektory
kartézskou souřadnicovou soustavu, tenzor
napětí v této soustavě bude mít pouze dvě nenulové složky
![]() |
(1,101) |
které budeme značit
.
Velikosti hlavních napětí jsou veličiny, které nezávisí na
volbě souřadnicové soustavy. Proto ani řešení rovnice
(1,93)
nemůže záviset na
tom, v jaké soustavě souřadnic jsou vyjádřeny složky tenzoru
.
Koeficienty rovnice
(1,93)
, tj. výrazy
a
,
nemohou záviset na volbě soustavy souřadnic. Výrazům vytvořených ze složek
tenzorů, jejichž velikost nezávisí na volbě soustavy souřadnic, se říká
invarianty tenzorů. Pro výrazy
![]() |
(1,102) |
se užívá název první a druhý invariant rovinného tenzoru napětí.
Hledáme-li hlavní směry symetrického tenzoru druhého řádu definovaného v trojrozměrném prostoru, kvadratické rovnici (1,93) odpovídá kubická rovnice. Pro tenzor momentu setrvačnosti je uvažovanou kubickou rovnicí rovnice (I6,52). Analogická rovnice pro tenzor napětí je rovnice
![]() |
(1,103) |
Rozepíšeme-li determinant (1,103) , získáme po vynásobení faktorem -1 kubickou rovnici
![]() |
Koeficienty
jsou hledané invarianty tenzoru napětí
.
Označíme je
,
a
.
Z rovnice
(1,103)
plyne pro první invariant
,
druhý invariant
a třetí invariant
tenzoru napětí vyjádření
![]() |
![]() |
(1,104) |
![]() |
Na jednoduchém příkladě smyku ukážeme, jak se hledají směry hlavních napětí. Mějme rovinné napětí v bodě P popsané tenzorem o složkách
![]() |
tj. tenzorem s jedinou nenulovou složkou
.
Takové napětí se vyznačuje tím, že na plochách kolmých k souřadnicovým
osám (v rovinném případě uvažujeme pouze dvě osy) působí v bodě P
čistě smykové napětí. Rovnice
(1,91)
se v tomto případě zjednoduší
na tvar
![]() |
(1,105) |
a podmínka (1,93) , že determinant soustavy je nulový, dává nyní rovnici
![]() |
(1,106) |
Z rovnice (1,106) dostáváme pro hodnoty hlavních napětí vyjádření
![]() |
(1,107) |
Dosadíme-li
do první nebo druhé rovnice
(1,105)
,
dostáváme pro vektor normály
první hlavní roviny napětí podmínku
![]() |
neboli
![]() |
(1,108) |
Dosadíme-li
do některé z rovnic
(1,105)
, dostáváme
pro normálu
druhé hlavní roviny podmínku
![]() |
neboli
![]() |
(1,109) |
Užijeme-li normovací podmínku
(1,97)
, můžeme napsat přímo
složky normálových vektorů
![]() |
(1,110) |
Podmínkám
(1,108)
, resp.
(1,109)
a
(1,97)
, vyhovují též
vektory
.
Vektory s opačnými znaménky určují však stejný směr hlavního napětí, a
proto stačí uvažovat řešení
(1,110)
.
Shrneme řešení příkladu:
Je-li při rovinném napětí na rovinách kolmých
k souřadnicovým osám čistě smykové napětí, hlavní směry napětí půlí úhly
mezi souřadnicovými osami. Jedno z hlavních napětí je čistý tah, druhé
čistý tlak, velikost obou je stejná a rovná se velikosti smykové složky
tenzoru napětí.
Na obr.20 jsou znázorněny vektory napětí
působící na rovinách kolmých
k souřadnicovým osám 1, 2, směry
hlavních os napětí 1´, 2´ a vektory napětí
působící na hlavních rovinách napětí. Při
zobrazení předpokládáme, že
.
Pro přehlednost obrázku jsou roviny, na kterých působí vektory
kresleny mimo bod P, v němž vektor napětí uvažujeme.
V této kapitole byl podán přehled nejdůležitějších obecných pojmů teorie
kontinua. Pro podrobnější výklad s přesnějším matematickým zdůvodněním
uvedených faktů odkazují čtenáře především na vynikající českou učebnici [1] a
dále na cizojazyčné učebnice a monografie [10], [11], [12], [13], [14], [15].