Ứng suất cắt là gì? Các nghiên cứu khoa học về Ứng suất cắt

Ứng suất cắt là lực tác động song song với bề mặt vật liệu, gây biến dạng trượt và được đo bằng tỷ lệ giữa lực tác dụng và diện tích mặt cắt. Đây là đại lượng quan trọng trong cơ học và kỹ thuật, giúp đánh giá khả năng vật liệu chống lại lực trượt để đảm bảo an toàn và độ bền kết cấu.

1.160 lượt xem Cập nhật 30/8/2026

Ứng suất cắt là gì?

Ứng suất cắt (tiếng Anh: shear stress) là một đại lượng vật lý phản ánh khả năng chống lại lực trượt song song với bề mặt của vật liệu. Đây là một trong những loại ứng suất cơ bản bên cạnh ứng suất kéo và nén. Khi một vật thể chịu tác dụng của lực phân bố song song với một mặt cắt nhất định, nó sẽ có xu hướng bị biến dạng theo chiều trượt của lực, và lực này chính là nguyên nhân tạo ra ứng suất cắt.

Ứng suất cắt đóng vai trò quan trọng trong các lĩnh vực như cơ học vật liệu, cơ học kết cấu, kỹ thuật xây dựng, cơ khí, và kỹ thuật chất lỏng. Việc hiểu và tính toán chính xác ứng suất cắt là yếu tố thiết yếu để đảm bảo độ bền, sự an toàn và tuổi thọ của các kết cấu kỹ thuật.

Biểu thức tính ứng suất cắt

Ứng suất cắt được ký hiệu là τ và được tính theo công thức cơ bản như sau:

$\tau = \frac{F}{A}$

Trong đó:

τ (tau): Ứng suất cắt, đơn vị thường dùng là Pascal (Pa)
F: Lực tác dụng song song với bề mặt cắt (Newton, N)
A: Diện tích mặt cắt chịu lực (mét vuông, m²)

Ví dụ: nếu một con bu lông chịu tải trượt 1000 N trên mặt cắt ngang 0.0005 m², ứng suất cắt là:

$\tau = \frac{1000}{0.0005} = 2 \times 10^6 \, \text{Pa}$

Các loại ứng suất cắt

Ứng suất cắt có thể phân loại dựa trên đặc điểm ứng dụng hoặc loại hình chịu lực:

Ứng suất cắt đơn (Single Shear): Xảy ra khi lực tác dụng chỉ gây cắt qua một mặt phẳng. Ví dụ: một thanh kim loại bị cắt bởi một kéo cắt.
Ứng suất cắt kép (Double Shear): Xảy ra khi lực tác động gây cắt qua hai mặt phẳng song song. Ví dụ: một bu lông nằm giữa hai tấm thép chịu lực kéo đối nghịch.

Ứng suất cắt và biến dạng cắt

Khi chịu ứng suất cắt, vật liệu sẽ bị biến dạng theo hướng trượt của lực. Biến dạng này được đo bằng đại lượng gọi là biến dạng cắt, ký hiệu là γ, và được tính theo công thức:

$\gamma = \frac{\Delta x}{h}$

Trong đó:

Δx: Độ lệch (dịch chuyển ngang) của lớp trên cùng so với lớp dưới
h: Chiều cao ban đầu giữa hai lớp

Đối với vật liệu tuyến tính đàn hồi, mối quan hệ giữa ứng suất cắt và biến dạng cắt tuân theo định luật Hooke dạng cắt:

$\tau = G \cdot \gamma$

Với G là mô đun đàn hồi cắt (shear modulus), đặc trưng cho độ cứng của vật liệu khi chịu biến dạng trượt.

So sánh với các loại ứng suất khác

Đặc điểm	Ứng suất kéo/nén	Ứng suất cắt
Hướng lực tác động	Vuông góc với mặt cắt ngang	Song song với mặt cắt ngang
Loại biến dạng	Thay đổi chiều dài	Thay đổi hình dạng
Ứng dụng phổ biến	Dầm chịu lực, cột trụ	Trục truyền mô-men, mối hàn, bu lông
Công thức cơ bản	$\sigma = \frac{F}{A}$	$\tau = \frac{F}{A}$

Ứng dụng trong thực tế

Ứng suất cắt đóng vai trò thiết yếu trong nhiều ngành kỹ thuật và đời sống:

Kết cấu công trình: Ứng suất cắt phải được kiểm soát trong dầm, cột, móng, đặc biệt tại các điểm nối hoặc mối hàn, bu lông — nơi lực trượt có thể gây phá hủy cấu trúc nếu vượt ngưỡng an toàn.
Kỹ thuật cơ khí: Các trục quay, bánh răng, then, khóa trục thường chịu mô-men xoắn sinh ra ứng suất cắt. Nếu vật liệu không đủ khả năng chịu cắt, hệ thống có thể hỏng đột ngột.
Cơ học chất lỏng: Lực ma sát giữa các lớp chất lỏng chuyển động được mô tả qua ứng suất cắt. Định luật Newton cho chất lỏng nhớt biểu diễn mối quan hệ giữa ứng suất cắt và tốc độ biến dạng cắt.

Giới hạn chịu cắt của vật liệu

Mỗi vật liệu có một giới hạn chịu cắt khác nhau, tùy thuộc vào thành phần hóa học, cấu trúc tinh thể, và quá trình xử lý cơ nhiệt. Ví dụ:

Thép carbon: khoảng 250 – 400 MPa
Nhôm: khoảng 100 – 150 MPa
Gỗ (tùy theo loại): khoảng 5 – 20 MPa

Để tra cứu chính xác các giá trị này, bạn có thể sử dụng các nguồn như:

Tính toán và kiểm tra ứng suất cắt

Trong thực tế, việc tính ứng suất cắt không chỉ dựa trên công thức đơn giản. Đối với các chi tiết phức tạp như trục rỗng, dầm chữ I, hoặc kết cấu tấm mỏng, cần sử dụng lý thuyết ứng suất nâng cao như lý thuyết dầm Timoshenko, phân tích phần tử hữu hạn (FEM), hoặc phần mềm kỹ thuật như ANSYS, SolidWorks Simulation.

Việc kiểm tra ứng suất cắt thường thực hiện thông qua:

Phân tích lý thuyết dựa trên thiết kế
Thử nghiệm vật lý (tensile/shear test)
Kiểm tra không phá hủy (NDT) như siêu âm hoặc chụp X-quang kỹ thuật

Tài liệu tham khảo uy tín

Trích dẫn nhiều nhất

Mô phỏng số sự phân bố stress cắt ở đoạn phân nhánh động mạch carotid
Dịch bởi AINumerical simulation of the wall shear stress distribution in a carotid artery bifurcation
Marzieh Rezazadeh và cộng sự2022
AI tóm tắt
Mô phỏng động lực học dòng chảy sử dụng phần mềm ANSYS Fluent khảo sát trường ứng suất cắt wall shear stress tại đoạn phân nhánh động mạch cảnh carotid có mảng xơ vữa gây hẹp lòng mạch. Dòng chảy tầng laminar tại vùng sau chỗ hẹp làm suy giảm mạnh ứng suất cắt dao động xuống dưới 0,4 Pa. Kết quả mô phỏng hỗ trợ bác sĩ tiên lượng chính xác vị trí dễ tái tạo mảng xơ vữa nội mạch.
Đặc tính biến dạng động của đất sét đông lạnh dưới sự quay trục ứng suất chính thuần túy
Dịch bởi AIDynamic deformation characteristics of frozen clay under pure principal stress rotation
Binlong Zhang và cộng sự2022Arabian Journal of Geosciences
AI tóm tắt
Thí nghiệm cơ học đất khảo sát đặc tính biến dạng động của đất sét đông lạnh dưới tác động của tải trọng quay trục ứng suất cắt chính thuần túy bằng thiết bị nén ba trục rỗng. Góc lệch trục ứng suất làm gia tăng áp lực nước lỗ rỗng và giảm 32% mô đun cắt động của mẫu đất ở nhiệt độ -2 °C. Công trình cung cấp thông số ứng suất cắt quan trọng cho việc thiết kế móng công trình vùng băng giá.
Phân bố ứng suất cắt tại bề mặt trong kênh hình vòng với bọt khí đứng yên
Dịch bởi AIWall Shear Stress Distribution in an Annular Channel with a Stationary Gas Bubble
O. N. Kashinsky và cộng sự2021Journal of Engineering Thermophysics
AI tóm tắt
Nghiên cứu thủy động lực học đo đạc sự phân bố ứng suất cắt tại bề mặt ống trong kênh dẫn hình vành khuyên có chứa bọt khí đứng yên đường kính ngoài 32 mm và trong 10 mm. Gradient vận tốc dòng chất lỏng gây ra cực đại cục bộ của ứng suất cắt tại vùng mũi và đuôi bọt khí với độ chênh lệch áp suất lớn. Dữ liệu thực nghiệm giúp hoàn thiện mô hình truyền nhiệt và ma sát dòng hai pha trong kỹ thuật nhiệt năng.
Trạng Thái Ứng Suất của Không Gian Không Bị Giới Hạn Gần Một Khoang Trụ Có Mặt Cắt Phi Tròn Đối Với Các Vật Liệu Đàn Hồi-Viscoplastik Lão Hóa
Dịch bởi AIStress State of Unbounded Space Near a Cylindrical Cavity with a Non-Circular Cross-Section for Aging Elastic-Viscoplastic Materials
D. V. Gotsev và cộng sự2021Mechanics of Solids
AI tóm tắt
Nghiên cứu cơ học biến dạng giải bài toán trạng thái ứng suất đàn nhớt dẻo xung quanh khoang hình trụ có mặt cắt phi tròn dưới tác dụng của tải trọng ngoài. Các tác giả xác định trường tập trung ứng suất cắt cực đại tại các góc lượn biên hầm theo hàm thời gian lão hóa vật liệu. Lời giải giải tích đóng góp công cụ tính toán chính xác trường ứng suất cắt phục vụ gia cố hầm ngầm công trình ngầm.