弹性是关于材料的性质,对于一块材料,可以施加的外界作用,最终都要转化为形变与热量。就比如打铁,用大锤击打胚料,胚料的形状就会慢慢变化,温度也会上升,变红,甚至于胚料的性质也会变化,内部组织变得更加紧致,耐压。
所以,弹性理论就是关于这种材料性质变化的理论,依靠外力,依靠温度,使材料发生单纯的形变,一般不考虑复杂的相变。
重要的几个概念,一个是应力张量,应变张量,应力张量描述了外力的方向与大小,应变张量描述了变形的方向与大小,也可认为这是连续介质的动力学和运动学。动力学涉及力,能,物理过程,运动学则仅仅与几何变化有关系,也就是形状。一个是内因,一个是表现。
对于这两者,需要联系的桥梁,在质点力学中,就是牛顿定律,在这里就是弹性定律,或者说胡克定律。定律,一般就是线性近似下的结果,忽略高阶小项的情况下,进行推理而得。
在一般的应用场合下,使用弹性模量即可联系两者,就像弹簧一样,力除以弹性系数,就得到了伸缩量,不过,由于材料往往具有方向性,就比如木头,有天然纹路,沿着纹路,劈起来就轻松,垂直于纹路,就得花费很大的力气,所以,这种方向性就必须体现出来,在不同的方向上有着不同弹性模量,这就变成了高阶张量,包含了复杂的关系。就像电场一样,各项同性的材料,联系电场强度和极化强度的电学参量就是一个标量,而各相异材料,就是一个二阶张量,将电矢量转化为极化矢量。在这里,就是一个四阶张量,将二阶应力张量转化为二阶应变张量。
然后是一系列材料参数,模量,泊松比,拉梅系数,压缩模量,剪切模量,这就是不同的表示方式导致的不同的参数。
最后是运动方程,也可以说是平衡方程,因为材料需要保持不变,才能更好的利用。不然无论是用作建材还是外壳,运动件就很容易损坏。平衡方程的思想很简单,受到的合力为零,不过,由于各种力的表示非常复杂,所以最后的形式也是非常复杂。也是难以避免的,方程越普遍,容纳的情况越多,可变化的参数自然就越多,对于各种各样的材料和外力施加方式,描述起来自然要花费很大的力气。即使把方程给出了,一般来说也是无法解析求解的,需要借助于各种数值计算手段来求。也就是有限元方法。
算力和算法,变成了限制因素。不过,还是希望理论上能有大发展,毕竟这才是最符合人的思考方式的道路,计算机和人的差别太大了。假如到处都是黑箱,能实现功能,但不知原理,那世界就变成魔法世界了,虽然现在也差不多,大部分人只知道各种机器的使用方法,但是不知道内部原理。