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Cauchy-Spannungstensor

1822
  • Augustin-Louis Cauchy
Bauingenieur, der Spannungen bei der Konstruktion von Brücken nach den Prinzipien des Cauchy-Spannungstensors analysiert.

The Cauchy Stress tensor, denoted [latex]\boldsymbol{\sigma}[/latex], is a second-order tensor that completely defines the state of stress at a point inside a material. It relates the traction vector (force per unit area) [latex]\mathbf{T}[/latex] on any surface passing through that point to the surface’s normal vector [latex]\mathbf{n}[/latex] via the linear relationship [latex]\mathbf{T} = \boldsymbol{\sigma} \cdot \mathbf{n}[/latex].

The Cauchy stress tensor provides a complete description of the internal forces acting within a deformable body. Imagine an infinitesimal cube of material at a point P. Forces are exerted on each face of this cube by the surrounding material. The stress tensor [latex]\boldsymbol{\sigma}[/latex] is a 3×3 matrix whose components [latex]\sigma_{ij}[/latex] represent the stress on the i-th face in the j-th direction. The diagonal components ([latex]\sigma_{11}, \sigma_{22}, \sigma_{33}[/latex]) are normal stresses, representing pulling (tension) or pushing (compression) perpendicular to the face. The off-diagonal components ([latex]\sigma_{12}, \sigma_{23},[/latex] etc.) are shear stresses, representing forces acting parallel to the face.

A key result, known as Cauchy’s stress theorem, states that knowledge of the stress vectors on three mutually perpendicular planes is sufficient to determine the stress vector on any other plane passing through that point. This is encapsulated in the formula [latex]\mathbf{T}^{(\mathbf{n})} = \boldsymbol{\sigma}^T \mathbf{n}[/latex]. Furthermore, the conservation of angular momentum requires the stress tensor to be symmetric ([latex]\sigma_{ij} = \sigma_{ji}[/latex]), which reduces the number of independent components from nine to six. This tensor is fundamental because it allows engineers to analyze the stress state at any point within an object, regardless of its orientation, and to predict whether the material will yield or fracture under applied loads by comparing the stress state to the material’s strength properties.

UNESCO Nomenclature: 2210
- Mechanik

Typ

Abstraktes System

Unterbrechung

Grundlegendes

Verwendung

Weit verbreitete Verwendung

Vorläufersubstanzen

  • Die Newtonschen Gesetze der Bewegung
  • Euler’s concept of pressure in fluids
  • Der mathematische Rahmen von Vektoren und Matrizen (Tensoren)
  • Coulomb’s work on friction and soil mechanics

Anwendungen

  • Strukturanalyse von Gebäuden, Brücken und Flugzeugen zur Vorhersage von Ausfällen
  • Geomechanik zur Analyse von Spannungen in Fels und Boden für den Tunnel- und Fundamententwurf
  • Materialwissenschaft zum Verständnis von Materialversagensmechanismen wie Bruch und Ermüdung
  • Biomechanik zur Berechnung von Belastungen in Knochen und Geweben unter Belastung

Patente:

NA

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