什么是压力?谁见过压力?压力是物理量吗?

什么是压力?谁见过压力?压力是物理量吗?

陈怡恒教授，西安交通大学，710049

电子邮件:yhchen2@mail.xjtu.edu.cn

事实上，这个问题已经困扰了笔者超过15年。

众所周知，在机械工程或航空航天工程中，所有以前和现在的固体力学专业的研究人员总是使用经典的应力概念，因为他们使用其他物理量:位移或应变等。

然而，世界上没有人用任何工具看到过压力!

此外，没有人真正理解压力的物理意义是什么!

或者相反，没有人认识到压力是否是一个真实的物理量的详细事实?

众所周知，对于给定的几何坐标系，固体质量点的位移实际上是物理量，这是毫无疑问的!这是因为质点的位移可以用眼睛、一些先进的光学仪器甚至电子显微镜直接看到或测量。

因此，在连续一阶微分存在的同一点上(或在一个小区域周围)，它们的梯度也是物理量。

主要的困难是重音是什么?

显然，应力的概念与应变和位移有很大的不同，至少有以下三个观点:

(1)首先，应力是不可见的，用任何现有仪器(包括光学仪器和电气仪器)都无法测量，而众所周知，位移或应变是可以测量的。例如，正如GOM或其他公司报告的那样，一些新的光学仪器可以用来澄清仅仅0.01微米的位移和1微米的应变。而且，一些先进的电子显微镜的分辨率高达0.18纳米!

(2)其次，经典的应力概念是基于弹性力学中的广义胡克定律，然后将其推广到塑性中的一些结构问题，如塑性变形理论或塑性流体理论。最近，这个概念被扩展到微观力学，损伤力学，甚至纳米力学。然而，严格地说，这个概念不是从实验观察中得出的，而是从人的大脑中得出的!因此，它不是一个真实的物理量，换句话说，它是一个伪物理量，只是一个想象的物理量!这个问题很容易证明，因为在文献中没有人声称他看到过压力或他测量过压力!

(3)第三，在非线性和非均质材料中，在某些载荷作用下，存在许多晶粒(金属)或颗粒(陶瓷)，其尺寸尺度为几微米。一般来说，同一种非均匀材料的应变场或位移场是唯一的(应变场可以由测量的位移场唯一地推导出来)，但非均匀材料中的应力场是不均匀的，甚至是不唯一的。由于微缺陷的成核、生长、聚结等(不可逆的热力学过程)，测得的位移场会发生变化，推导出的应变场也会发生变化。但是每个应变/位移场都可能导致几个不同的应力场，这取决于研究人员(或研究人员的大脑)建立的不同的本构关系。换句话说，每个本构关系只会产生一个特殊的应力场。许多本构关系会产生许多不同的应力场，但研究人员实际上并没有看到或测量它们的应力场。

事情变得清晰了!

压力的概念实际上是从人的大脑中建立起来的，而不是从真实的观察中建立起来的!

这是21世纪现代材料先进固体力学研究的主要障碍，因为先进技术的发展推动了MEMS、NEMS等仪器的小型化，使得固体力学专业的研究人员面临着研究微尺度力学、纳米力学等小尺度力学的挑战。然而，没有人能告诉我们，应力(作为一个宏观的伪物理量)的概念在微力学或有缺陷的纳米力学中是否仍然有效?

如果是这样，他应该告诉我们为什么?

如果不是这样，他应该告诉我们什么是可能的和可选的物理量而不是应力?

这个问题非常清楚，如下图所示(附自网站)。

图1显示了一张显微镜照片。在不均匀的材料中，照片中有许多坚实的细节。问题是每个特定物体表面的应力是多少?压力有多大?这对于找出作为位移场或应变场的应力场的详细分布是否有价值?更重要的是，从微观尺度上看，假设应力场存在，是否可以引入一些现象学参数来评价材料的破坏?

图1。第一个显微镜照片的例子附自网站。

图2。第二例显微镜照片附自网站。

图2还显示了详细的位移场和应变场，虽然可以测量详细的应变-位移场，但没有人能得到详细的应力场。

图3。第三个例子显微镜照片附自网站。

图3显示了另一个带有一些表面裂纹的位移场。但是，虽然可以测量应变-位移场，但应力场是什么还不清楚。

此外，一些著名的专家声称，他们在纳米尺度上分析的应力高达100GPa!这个应力大于材料的弹性模量?这一结果表明，应力概念在纳米力学中存在缺陷，是不现实的。

当然，根据所谓的应力分析推翻以前的贡献是不公平的。的确，包括断裂力学在内的所有经典强度理论都是在应力分析的基础上建立起来的，并获得了大量的财富，受到了研究人员的高度重视!

此外，作者并不想简单地抛弃这一概念。这可能是颠倒的!

本论文的目标是促进与其他对该主题感兴趣的研究人员的进一步讨论，并引入一个替代物理量来取代应力概念，特别是在非均匀力学、微观力学和纳米力学中。

从物理角度看，构型力和相关的不变积分可能是代替应力分析的有用选择。这是因为这些概念都是直接从基于能量平衡观点的Eshelby缺陷力中归纳出来的。事实上，作者在这一研究方向上做了一些初步的尝试[1-17]，其中有一本书[11]总结了jk -向量的投影守恒定律以及m -积分和l -积分的潜在应用。

本课题的其他进展，如微缺陷云的疲劳损伤驱动力(FDDF)将在作者后续的论文中报告。

[1]陈奕恒。，关于尖端应力场中不连续点对j积分的贡献，国际工程科学杂志， Vol. 34, 819-829(1996)。

[2]韩俊杰和陈一恒。，关于尖端应力场中微孔对j积分的贡献，国际骨折杂志， Vol. 85, 169-183(1997)。

[3]赵立国，陈一恒。，关于界面裂纹尖端附近的子界面微裂纹对双材料固体j积分的贡献，国际工程科学杂志， Vol. 35, 387-407(1997)。

[4]陈奕恒。各向异性弹性固体中宏观裂纹-微裂纹相互作用问题的研究——第一部分问题的一般解法及j积分的应用，国际骨折杂志，卷91,61-82(1998)。

[5]陈奕恒。韩俊杰。压电材料宏裂纹-微裂纹相互作用，第1部分，基本公式与j分析ASME应用力学杂志中国科学院学报，1999,Vol. 66 No. 2, 514-521。

[6]陈奕恒．,韩俊杰。压电材料宏观裂纹-微裂纹相互作用研究，第二部分。数值结果与讨论，ASME应用力学杂志《中国科学》，1999年第2期，第522-527页。[7]田文银和陈一恒。，不同各向异性材料中半无限界面裂纹与子界面基体裂纹相互作用，第一部分，基本公式与j积分分析，国际固体与结构杂志，卷37,7717-7730(2000)。[8]陈奕恒。田文云，不同各向异性材料中半无限界面裂纹与子界面基体裂纹相互作用，第二部分，数值结果与讨论，国际固体与结构杂志， Vol.37, 7731-7742(2000)。[9]陈奕恒．,含强相互作用裂纹的二维固体的m积分分析(第一部分)国际固体与结构杂志， Vol. 38/ 18,3193 -3212(2001)。

[10]陈奕恒。，具有强相互作用裂纹的二维固体的m积分分析，第二部分。在无限金属/陶瓷双材料的脆性阶段，国际固体与结构杂志。， Vol. 38/18, 3213-3232(2001)。

[11]书籍:守恒定律和能量释放率的进展，Kluwer学术出版社，荷兰(ISBN 1402005008), 2002年．［12陈永华，吕廷杰，(2003)不变积分的最新发展和应用，ASME应用力学评论，卷56,515-552．

[13]李强，陈永华。(2008)表面效应和尺寸对能量释放的依赖平面弹性材料中的纳米孔膨胀，ASME应用力学杂志，第十五卷十一月

胡玉峰，陈毅恒，(2009)，两孔带钢合并前后的m -积分描述，Acta Mechanica， Vol. 204(1)， 109-。

胡玉峰，陈毅恒，(2009)，含两条裂纹的带钢合并前后的m积分描述，ASME应用力学杂志，第76卷，11月，061017-1-12

[16]惠涛，陈义恒，(2010)，平面弹性材料中纳米夹杂物在单轴和双轴载荷作用下的m积分分析，机械工程学报，第77卷。021019-1-9。

[17]惠涛，陈义恒，(2010)，平面弹性材料中纳米夹杂物的双态m积分，力学学报，Vol. 77。024505-1-5。