Нагрузка на сдвиг — это сила, которая вызывает напряжение сдвига при воздействии на элемент конструкции. Напряжение сдвига, представляющее собой силу на единицу площади, возникает в плоскости, перпендикулярной нормальному напряжению; он создается, когда две плоскости одного и того же объекта пытаются скользить друг мимо друга. Инженерам необходимо рассчитать сдвиговую нагрузку на конструкции, чтобы убедиться, что они не подвергаются механическому разрушению. Слишком высокая нагрузка может привести к текучести или необратимой деформации материалов.
Нормальные напряжения возникают, когда материал подвергается растяжению или сжатию. В этом случае обе приложенные силы направлены вдоль одной оси. Если силы приложены по разным осям, в дополнение к любым нормальным напряжениям будут возникать напряжения сдвига. Квадратный элемент материала будет испытывать силы, стремящиеся превратить его в параллелограмм. Среднее касательное напряжение в материале равно сдвигающей нагрузке, деленной на рассматриваемую площадь поперечного сечения.
В то время как напряжение сдвига представляет собой силу на единицу площади, нагрузка сдвига обычно относится только к самой силе. Поэтому подходящими единицами являются единицы силы, чаще всего ньютоны или фунты-силы. Когда поперечная нагрузка приложена к стесненному материалу, сила реакции отвечает за удержание материала в неподвижном состоянии. Эта сила реакции представляет собой «вторую» приложенную силу; в сочетании с силой реакции одна сила может вызвать касательные напряжения.
Нагрузка на сдвиг важна при расчете напряжений внутри балки. Уравнение балки Эйлера-Бернулли связывает поперечную нагрузку с изгибным движением балки. изгибающий момент – это крутящий момент, вызывающий отклонение балки. Максимально допустимая нагрузка на балку связана как с материалом, так и с геометрией балки: более толстые балки из более прочных материалов могут выдерживать более высокие сдвигающие нагрузки.
Когда силы вызывают слишком высокие внутренние напряжения, материал деформируется. Уступчивость необратимо изменяет расслабленную форму и размер материала, как это происходит, когда материал свободен от внешних сил. Скрепку можно легко довести рукой до предела текучести. Уступчивость не только искажает геометрию материала, но и может сделать материалы более восприимчивыми к разрушению. Управление этим риском имеет решающее значение для инженеров-строителей и инженеров-механиков.
Решить, какие материалы являются самыми прочными или имеют самый высокий предел текучести, легче сделать с помощью эксперимента, чем с помощью теоретического анализа. Общеизвестно, например, что сталь может выдерживать большее внутреннее напряжение, чем алюминий. Объяснение того, почему это так, является предметом нескольких конкурирующих теорий. Некоторые из этих теорий подчеркивают, что напряжение сдвига является фундаментальным для объяснения того, когда материалы будут поддаваться деформации.