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

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:

• Engineering Toolbox - Shear Stress
• MatWeb - Material Property Data
• MakeItFrom.com - Material Comparison

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

• Engineering Toolbox - Shear Stress
• MechaniCalc - Average Shear Stress
• MatWeb - Material Property Database
• MakeItFrom.com - Compare Materials
• Britannica - Shear Stress