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Tenseur de contrainte de Cauchy

1822
  • Augustin-Louis Cauchy
Ingénieur structurel analysant les contraintes dans la conception des ponts en utilisant les principes du tenseur des contraintes de Cauchy.

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
- Mécanique

Taper

Système abstrait

Perturbation

Fondamentaux

Usage

Utilisation généralisée

Précurseurs

  • Les lois du mouvement de Newton
  • Euler’s concept of pressure in fluids
  • Le cadre mathématique des vecteurs et des matrices (tenseurs)
  • Coulomb’s work on friction and soil mechanics

Applications

  • analyse structurelle des bâtiments, des ponts et des avions pour prédire les défaillances
  • géomécanique pour l'analyse des contraintes dans la roche et le sol pour la conception de tunnels et de fondations
  • science des matériaux pour comprendre les mécanismes de défaillance des matériaux tels que la fracture et la fatigue
  • biomécanique pour le calcul des contraintes dans les os et les tissus sous charge

Brevets:

NA

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