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

Ứng suất là gì?

Ứng suất (tiếng Anh: stress) là một đại lượng vật lý mô tả mức độ nội lực phát sinh bên trong vật thể khi nó chịu tác động từ ngoại lực hoặc tác nhân môi trường (như nhiệt độ, áp suất). Nói cách khác, khi một vật thể bị biến dạng do ngoại lực, bên trong nó sẽ xuất hiện các phản lực nội tại chống lại sự biến dạng đó, và các phản lực này – tính trên đơn vị diện tích – được gọi là ứng suất.

Ứng suất là một khái niệm trung tâm trong cơ học vật rắn và cơ học kết cấu, đóng vai trò quyết định trong việc phân tích, thiết kế và đánh giá độ bền của các kết cấu kỹ thuật như cầu, nhà, máy móc, trục, khung xe và vật liệu tổng hợp.

Công thức và đơn vị đo

Công thức tính ứng suất cơ bản là:

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

Trong đó:

• σ – ứng suất (N/m² hoặc Pascal – Pa)
• F – lực tác dụng theo phương vuông góc lên mặt cắt (N)
• A – diện tích mặt cắt ngang của vật thể (m²)

Trong thực tế, do cường độ lực lớn, người ta thường dùng đơn vị:

• MPa – megapascal (1 MPa = 10⁶ Pa)
• GPa – gigapascal (1 GPa = 10⁹ Pa)

Bên cạnh đó, trong hệ Anh (Imperial), ứng suất có thể đo bằng psi (pound per square inch).

Các loại ứng suất chính

Ứng suất có thể phân loại dựa trên hướng và tính chất của lực tác động:

1. Ứng suất kéo và ứng suất nén (Normal Stress)

Khi lực tác động theo phương vuông góc với mặt cắt của vật liệu, ta có:

• Ứng suất kéo – khi vật liệu bị kéo dài
• Ứng suất nén – khi vật liệu bị ép ngắn lại

$\sigma = \frac{F}{A}, \quad F \perp A$

2. Ứng suất tiếp (Shear Stress)

Xảy ra khi lực tác dụng song song với mặt cắt. Loại ứng suất này xuất hiện phổ biến trong các kết cấu bị cắt trượt, ví dụ như bu-lông chịu lực cắt hoặc trục bị xoắn.

$\tau = \frac{F_{\text{shear}}}{A}$

3. Ứng suất tiếp do xoắn (Torsional Shear Stress)

Xuất hiện khi vật thể bị xoắn quanh trục, ví dụ như trong các trục truyền động. Ứng suất phân bố thay đổi theo bán kính từ trục.

4. Ứng suất thủy tĩnh (Hydrostatic Stress)

Là ứng suất tác dụng đồng đều từ mọi hướng lên một điểm trong chất lỏng hoặc vật thể. Nó ảnh hưởng đến thể tích nhưng không làm vật bị biến dạng lệch.

Phân tích ứng suất phức tạp

Trong nhiều trường hợp thực tế, vật thể chịu nhiều loại ứng suất cùng lúc, tạo nên trạng thái ứng suất tổng hợp tại một điểm. Để biểu diễn đầy đủ trạng thái này, người ta dùng tensor ứng suất – một ma trận gồm các thành phần ứng suất theo từng trục và mặt phẳng.

Thông tin thêm về tensor ứng suất: Cauchy Stress Tensor – Wikipedia

Ứng suất danh định và thực tế

Ứng suất danh định (engineering stress) tính theo diện tích ban đầu của mặt cắt, trong khi ứng suất thực (true stress) tính theo diện tích tức thời khi vật liệu bị biến dạng. Trong các phép thử kéo vật liệu, sự khác biệt giữa hai khái niệm này trở nên rõ ràng ở giai đoạn biến dạng dẻo.

Ứng suất và biến dạng

Ứng suất và biến dạng có mối quan hệ trực tiếp, đặc biệt trong giai đoạn đàn hồi. Định luật Hooke mô tả mối quan hệ tuyến tính này:

$\sigma = E \cdot \varepsilon$

• σ: ứng suất (Pa)
• ε: biến dạng (tỉ lệ phần trăm hoặc không đơn vị)
• E: mô đun đàn hồi (Young’s modulus), đơn vị Pa

Đối với ứng suất tiếp, mối quan hệ tương tự có dạng:

$\tau = G \cdot \gamma$

• τ: ứng suất tiếp (Pa)
• γ: biến dạng trượt (radian hoặc không đơn vị)
• G: mô đun cắt (Shear modulus)

Biểu đồ ứng suất – biến dạng

Đây là công cụ quan trọng để mô tả hành vi cơ học của vật liệu. Biểu đồ bao gồm các giai đoạn:

1. Đàn hồi tuyến tính
2. Biến dạng dẻo
3. Điểm chảy (yield point)
4. Ứng suất đỉnh (ultimate stress)
5. Đứt gãy (fracture)

Biểu đồ giúp xác định các thông số như:

• Giới hạn bền kéo (tensile strength)
• Giới hạn chảy (yield strength)
• Độ dãn dài khi đứt (elongation)

Tham khảo biểu đồ thực tế và phân tích tại: Stress-Strain Diagram – Carnegie Mellon

Ứng suất tập trung

Khi có sự thay đổi đột ngột về hình học (như lỗ khoan, góc nhọn, rãnh), ứng suất tại khu vực đó có thể lớn hơn rất nhiều so với phần còn lại. Hiện tượng này gọi là ứng suất tập trung (stress concentration), là nguyên nhân chính dẫn đến phá hủy sớm trong nhiều chi tiết cơ khí.

Hệ số ứng suất tập trung (Kt) được sử dụng để đánh giá mức độ ảnh hưởng. Kỹ thuật thiết kế như bo tròn cạnh, sử dụng vật liệu đồng đều và tăng cường lưới mesh FEM giúp giảm ứng suất tập trung.

Phân tích ứng suất bằng mô phỏng số

Ngày nay, việc phân tích ứng suất thường được thực hiện thông qua mô phỏng số bằng phương pháp phần tử hữu hạn (FEM). Các phần mềm phổ biến như:

• ANSYS
• SolidWorks Simulation
• Abaqus

FEM giúp xác định các vùng ứng suất cao, từ đó đưa ra các biện pháp tăng cường thiết kế hoặc lựa chọn vật liệu phù hợp.

Ứng dụng của ứng suất trong kỹ thuật

Việc hiểu rõ ứng suất giúp kỹ sư:

• Thiết kế kết cấu an toàn và hiệu quả
• Tính toán tuổi thọ mỏi (fatigue life) của chi tiết
• Phân tích phá hủy vật liệu
• Đảm bảo vật liệu hoạt động trong vùng đàn hồi, tránh biến dạng dẻo hoặc gãy

Trong các ngành như xây dựng, cơ khí, hàng không, kỹ thuật ô tô, ứng suất là yếu tố then chốt ảnh hưởng đến độ bền và hiệu năng của sản phẩm.

Kết luận

Ứng suất là một khái niệm cốt lõi trong cơ học và kỹ thuật. Nó phản ánh nội lực bên trong vật liệu khi chịu tác động ngoại lực, quyết định đến khả năng chống chịu, độ bền và an toàn của hệ thống kỹ thuật. Việc hiểu rõ và tính toán chính xác ứng suất giúp kỹ sư tối ưu thiết kế, ngăn ngừa hư hỏng và nâng cao hiệu suất làm việc của công trình và máy móc.

Đọc thêm chi tiết tại: Stress (mechanics) – Wikipedia