Tại sao các công trình sư có thể "nhìn thấy" ứng suất ở bên trong vật liệu?

Các ngoại lực mà kết cấu công trình phải chịu trong quá trình sử dụng, thường bao gồm trọng lượng bản thân kết cấu, tải trọng do hoạt động của con người và các loại trang thiết bị đặt trong kiến trúc cùng với các lực tự nhiên như mưa, gió, tuyết, động đất v.v. Theo nguyên lý cân bằng giữa lực tác dụng và lực phản tác dụng, trị số nội lực của kết cấu tất nhiên phải bằng ngoại lực. Đối với cùng một cấu kiện, nếu lấy tổng lực chia cho diện tích mặt cắt ngang của cấu kiện, thì ta được lực trên một đơn vị diện tích, đó là ứng suất ở bên trong vật liệu.

Ứng suất là thứ không nhìn thấy và không sờ mó được, thế nhưng con mắt của các kỹ sư công trình có thể nhìn thấy ứng suất như tia X quang chiếu xuyên qua vậy, do đó có thể thiết kế hợp lý kích thước tiết diện cấu kiện công trình. Như đập nước Để Trụ ở vùng trung lưu sông Hoàng Hà có thể ngăn chặn các cơn lũ lớn, các bệ phóng tên lửa đứng sừng sững giữa trời có thể chống chọi với lực chấn động như chớp giật, sóng rền khi phóng tên lửa. Đó là do các kỹ sư công trình với con mắt nghề nghiệp đã nhìn thấy ứng suất ở bên trong công trình, sử dụng phối hợp các vật liệu một cách thích đáng.

Vậy thì các kỹ sư công trình "nhìn thấy" ứng suất ở bên trong vật liệu như thế nào?

Hóa ra, biến dạng là cái "bóng" của lực, chúng như cây và bóng râm ở dưới ánh sáng Mặt Trời, luôn như hình với bóng. Lực chia cho diện tích mặt cắt ngang của cấu kiện gọi là ứng suất, còn độ biến đổi chiều dài (giãn ra hay co lại) hoặc độ uốn góc chia cho chiều dài ban đầu của cấu kiện thì gọi là biến dạng. Trong cấu kiện có ứng suất thì mới có thể phát sinh biến dạng. Mối quan hệ cùng tồn tại đó của lực và biến dạng đã đặt nền tảng lý luận cho một bộ môn khoa học gọi là "Sức bền vật liệu", chính là thông qua biến dạng có thể thấy được mà các kỹ sư công trình nhận biết được ứng suất không thể nhìn thấy.

Quan hệ tỷ lệ giữa ứng suất và biến dạng do nhà khoa học người Anh Hooke phát hiện vào thế kỷ XVII, năm 1678 căn cứ vào kết quả thực nghiệm Húc đã đưa ra định luật Hooke nổi tiếng: "Trong vật thể có tính đàn hồi, độ lớn của biến dạng tỷ lệ thuận với ngoại lực". Ví dụ bạn dùng hai tay kéo dây chun, nếu dây chun bị kéo ra càng dài, tức là tay bạn dùng lực cũng càng lớn. Nói một cách khác, dây chun biến dạng càng lớn, thì lực kéo mà bên trong nó phải chịu cũng càng lớn. Điều thú vị là quan hệ giữa biến dạng và lực còn là một quan hệ định lượng. Ví dụ một thanh cao su to bằng chiếc bút máy, dài khoảng 1 m, ở đầu dưới treo một vật nặng 10 kg, cán cao su sẽ dãn ra chừng 5 cm, nếu treo một vật nặng 20 kg thì dãn ra 10 cm. Điều đó chứng tỏ quan hệ của chúng là theo tỷ lệ thuận. Hệ số tỷ lệ đó, được gọi là "mô đun đàn hồi".

Quan hệ tinh tế giữa ứng suất và biến dạng là điều bí ẩn đặc thù của "ánh mắt" các kỹ sư công trình, lực tuy không thể nhìn thấy bằng mắt, hình như không có dấu vết để để tra tìm, rất dễ lọt khỏi tầm nhìn của người thường, nhưng không thóat khỏi con mắt của các kỹ sư công trình.