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什么是应力集中，为什么会有这个现象，这个概念适用范围有多广？

应力,原子,不连续什么是应力集中，为什么会有这个现象，这个概念适用范围有多广？

发布时间：2016-12-08加入收藏来源：互联网点击：

问题补充： 宏观的物体会有应力集中现象，这个可以理解，那么DNA这种呢？如果把碱基对先断掉几个，然后会不会在下一个碱基对的地方产生应力集中呢？

回答于 2019-09-11 08:43:50

回答于 2019-09-11 08:43:50

谢邀。十一假期，不方便写作，所以现在才来。

宏观物体的应力集中是由于几何、材料、载荷不连续引起的。但是，对于DNA这种微观领域内的物质，其本身的组成就不是一个连续体，所以无法简单的用应力集中来描述。实际上微观领域根本不存在应力的概念，也就无所谓应力集中了。下面，我就从最基础的应力集中概念开始，有了这些基础才方便深入到DNA这种微观领域。




1、应力集中

可能很多人都不知道什么叫应力集中，这是一个稍微专业一点的力学名词。在机械类专业大二的材料力学中有一点点介绍，但是普通的机械类专业，应力集中不是重点，授课的时候也是一带而过。真正较为详细介绍应力集中概念的是在弹性力学中，不过机械类专业很少会系统地学习弹性力学。于是，绝大部分机械类专业的人，对应力集中了解不够，更不用说其他专业的了。

上图是弹性力学中用来介绍应力集中的示例。一个较大的平面（二维问题），内含一个较小的圆孔，远处有水平方向的均匀拉应力。这种状态下，圆孔孔周，特别是上下两点的应力会非常大，是远处的3倍；而左右两点的应力则是受压，为-q。像这种由于孔洞的存在，造成应力分布不均匀，应力聚集到了一起，在局部应力增大的现象，就是应力集中。上图的力流动如下，孔周由于空间狭小，变得更加密集。




2、应力集中现象的原因

应力集中的原因在于物体的不连续性：不仅仅是几何形状的不连续，也包含材料属性的不连续和外加载荷的不连续。实际上，这里暗含了弹性力学的两个基本假设：连续性假设和均质假设。




几何不连续指的是物体不是一个完整的整体，内含一些孔洞，就像上面那个例子一样，孔周的局部位置，应力会远大于远处的载荷。但是，实际上，应力集中的几何不连续远不仅限于此。如下图右边，台阶状的一个物体，远处受拉，在台阶附近的应力也会明显超过远处的应力。所以，这里的几何不连续，指的就是几何边界的线型变化，比如直线转弧线。尽管是光滑的连接（切线方向重合），但是在线型变化的连接处依然产生应力集中。

材料不连续指的是物体不同的位置材料属性是不一样的，即材料不是均质的材料。举个例子，我们给手机贴膜。手机屏幕和手机膜是两种不同的材料，在同样的载荷下，两者的响应完全不一样，从而容易脱粘分开，形成裂缝，出现几何不连续，导致应力集中现象的出现。下图中，两种不同材料的界面处，出现了微小的裂缝。如果粘接面接触良好，那么两者的变形响应必须协调，于是就会出现两侧应力不相同，存在着突变，而且一侧的应力较大，也远大于同侧的远处应力，这也是应力的集中。

载荷不连续指的是物体在同一位置两侧的载荷存在突变。实际上，集中力就是一种不连续的载荷。在集中力的作用点上，存在着力，但是就在隔壁的附近却没有力。这种载荷的突变，就是不连续。在集中力作用点处，由于受力面积接近为零，其应力状态理论上是无穷大，而附近的应力为零，这也是应力的集中。实际工程中，真正的集中力是不存在的，所以我没找到对应的图。以下图为例吧，假如在红点出有集中力，那么这个位置的应力肯定远大于其他地方。

无论是几何的不连续，材料的不连续，还是载荷不连续，实际上可以用一个词来概括：非线性。正是由于几何、材料、载荷的非线性，才导致了应力集中现象的出现。当然，这里的非线性概念更大，不仅仅包含不连续，还有大变形、塑性等等。




3、应力集中现象发生的位置

现在，我们应该知道应力集中是由于几何、材料、载荷的不连续引起的。其中，材料不连续和载荷不连续的应力集中发生的位置很容易就确定了，就是发生不连续的位置处。但是，对于几何不连续，并不是所有几何不连续的地方都会发生应力集中。

通常，几何不连续的应力集中发生在几何形状的凹陷处。如上图，凹陷处的应力是红色的，表明这里的应力最大。凹陷处显然也是几何不连续发生的位置。但是我们再看突起处，应力显然不是最大的。当然，这种还是跟受力有很大的关系，根据力的传递路径，外侧突起处，不在力传递的最佳路线上。




4、DNA中的应力集中现象

有了上面的基础，我们再来看下DNA结构，如下图。这种双螺旋的结构，如果单独拿出来，肯定不能用传统的力学来求解，这是属于纳米力学范畴了。

放大DNA结构，我们发现这个结构本身就不是一个几何规则体，也就是说存在着大量的几何不连续。此外，不同的小球代表着不同的原子，其物理属性完全不一样，所以也存在着大量的材料不连续。从这个角度来讲，DNA肯定也存在着应力集中的现象。

但是，DNA这种分子间的作用力，与宏观的应力不一样。应力是一种宏观的概念，进入微观领域后，就不存在应力的概念了。所以，严格来讲，DNA不存在应力集中。




5、总结

应力集中现象是由于几何、材料、载荷不连续造成的应力远超远处载荷的现象。但是，应力的概念本身就是一个宏观的平均值。在进入微观领域后，没有了应力的概念，都是分子间的作用力，这种作用力可以认为是精确值，而不是平均值。而且，这种作用力都是非接触的电磁力，不像宏观条件下需要载体。所以，DNA结构中，各原子、分子间的力不存在应力集中现象。

回答于 2019-09-11 08:43:50

"应力集中"是一个"宏观"的概念吧？是固体里大量同质分子或原子同时受到同向外力作用后的集体抗拒外力改变的表现，而且是与没有"几何外形"改变状态下集体抗拒外力的表现比较而论的。比如那个台阶型材料在台阶处的应力集中，这个"集中"是与圆棒结构(没有台阶)比较而言的，就是对于一个同样的拉拔外力F ，在圆棒型的结构下，是所有横截面上(台阶型的粗端)原子之间的键都在参与抗拉拔(抗拒宏观上的被拉断)，而在台阶型里，则只有细端截面上的少了很多的原子之间的键在参与抗拉断，相当于同样的外力都集中来拉断这些变少了的键了，力量就集中了，就容易拉断了。这就像一根粗缆绳，由100股细绳拧成，两边拔河，绳子不断；但若你把其中一些细绳搞断了，再用同样的力拔河，这同样的拉力就集中到剩下的不到100的细绳上了；原来在100细绳下可以抗拉不断的粗绳成了实际上的细绳，在同样的拉拔力下，它可能就断了。

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