神话
钢材只适合承受拉力。
现实
钢材的抗拉和抗压性能都非常出色。然而，由于钢材常用于细杆或细梁，因此在受压时更容易发生屈曲，这使得它在受压状态下的强度看起来比抗拉状态下的强度“弱”。
物理结构工程机械学材料科学
张力与压缩
本文分析了拉伸和压缩这两种决定结构完整性的主要内部应力之间的根本区别。拉伸是指将物体拉开使其伸长的力，而压缩是指将物体向内推使其缩短的力——工程师在建造从桥梁到摩天大楼等各种建筑物时，必须平衡这两种应力。
亮点
- 张力使材料分离，而压力使材料紧密贴合。
- 绳索和缆绳的抗压强度为零，但抗拉强度很高。
- 屈曲是一种独特的失效模式，仅与压缩有关。
- 大多数现代建筑都需要这两种力量的战略性结合才能保持稳定。
紧张是什么？
沿轴向拉伸或延长材料的拉力。
- 力的方向：向外（拉力）
- 材料效应：伸长/拉伸
- 失效模式：撕裂或断裂
- 常见例子：电缆、绳索、吉他弦
- 微观视角：原子被进一步拉开
压缩是什么？
沿轴向挤压或缩短材料的推力。
- 力的方向：向内（推）
- 材料效果：缩短/挤压
- 失效模式：压碎或屈曲
- 常见例子：柱子、地基、拱门
- 微观视角：原子被推得更近
比较表
| 功能 | 紧张 | 压缩 |
|---|---|---|
| 物质 | 拉伸和变薄 | 挤压和增稠 |
| 长度变化 | 正（增加） | 负值（减少） |
| 理想材料 | 钢、碳纤维、绳索 | 混凝土、石头、砖 |
| 主要故障风险 | 脆性断裂或颈缩 | 屈曲（受力弯曲） |
| 内部压力 | 拉应力 | 压缩应力 |
| 结构用途 | 悬索、拉索 | 柱子、堤坝、基座 |
详细对比
方向动力学
在力学领域，张力和压缩是势均力敌的两种力。当外力作用于物体中心之外，试图增加物体的长度时，就会产生张力。当外力作用于物体中心，试图减小物体的体积或长度时，就会产生压缩。在简支梁的弯曲过程中，张力和压缩力通常同时存在：梁的上部受到压缩，而下部受到拉伸。
材料适用性
根据材料承受应力的方式，会选择不同的材料。混凝土抗压强度极高，但抗拉强度低，容易开裂，因此需要添加钢筋来增强抗拉强度。相反，细钢丝虽然能承受巨大的拉力，但如果施加压力，就会立即弯曲或变形。
失效机制
当拉力超过材料的极限时，材料通常会在断裂或撕裂前发生“颈缩”（变薄）。压缩失效通常更为复杂；短而粗的物体可能直接被压碎，而细长的物体则会发生“屈曲”——物体由于无法再承受垂直载荷而突然向侧面弯曲。
工程应用
桥梁是这些力的最佳例证。在悬索桥中，主缆始终保持高张力以支撑桥面。在传统的石拱桥中，石块的重量及其上方的荷载通过压缩力向下传递，使石块更加紧密地挤压在一起，从而增强结构的稳定性。
优点与缺点
紧张
优点
- + 可实现轻量化设计
- + 适用于长跨度
- + 高强度重量比
- + 实现灵活结构
继续
- − 容易突然断裂
- − 材料通常更昂贵
- − 需要牢固的锚固
- − 容易疲劳
压缩
优点
- + 利用丰富的材料
- + 拱形结构的自然稳定性
- + 石材具有高耐久性
- + 耐候/防火
继续
- − 突然屈曲的风险
- − 需要巨大的基础
- − 整体结构更重
- − 关节无力
常见误解
神话
如果你推墙，就不会产生张力。
现实
即使你用力按压墙面，内部也会产生张力。如果你的推力使墙面略微弯曲，那么你按压的那一侧处于受压状态，而墙面的另一侧则处于拉伸状态。
神话
液体不会感受到张力。
现实
液体主要受压力（压缩）作用，但也会因表面张力而受到拉力。在微观层面上，表面分子受到向内和向侧方的拉力，形成一层“薄膜”效应，使其不易破裂。
神话
桥梁要么是拉索结构，要么是压索结构。
现实
几乎所有桥梁都同时运用了这两种力学原理。即使是最简单的木板桥，当你走过时，桥面也会承受压力，桥底则会承受拉力。关键在于工程师如何分配这些力。
常见问题解答
拉伸中的应力和应变有什么区别？
应力是指作用于材料单位面积上的内力，本质上是原子感受到的“压力”。应变是指由于应力作用而发生的物理形变或长度变化。在拉伸过程中，应力会使原子分离，而应变则是由此产生的可测量的拉伸量。
为什么要用钢筋加固混凝土？
混凝土抗压强度极高——即使承受很大的重量也不会压垮。然而，它的抗拉强度却很低，而且很脆。工程师通过将钢筋嵌入混凝土中，创造出一种复合材料，利用混凝土来承受“挤压”力，利用钢筋来承受“拉力”。
什么是压缩屈曲？
屈曲是一种结构失效，指受压构件突然向侧方弯曲。这是因为材料稳定性不足，无法在荷载作用下保持笔直。这就是为什么即使材质相同，细长的柱子也比粗短的柱子风险高得多的原因。
吉他弦是如何利用张力工作的？
吉他弦需要保持较高的张力才能维持特定的频率。拨动琴弦时，张力会起到恢复力的作用，将琴弦拉回其静止位置。增加张力可以提高音调，因为恢复力会变得更强更快。
一种材料能否同时承受拉伸和压缩作用？
是的，这在弯曲中非常常见。当梁的中间受力时，它会发生弯曲。弯曲的内侧受到挤压（压缩），而外侧受到拉伸（拉伸）。在梁的中间存在一个“中性轴”，在该轴上，压缩和拉伸力都不存在。
哪种力对工程师来说更难控制？
在大型建筑中，由于屈曲现象，受压通常被认为更具挑战性。拉伸失效取决于材料强度，而压缩失效则涉及几何形状和稳定性。缆索无论多长都不会屈曲，但柱子的高度会显著影响其承重能力。
重力是压缩力还是拉伸力？
重力本身是一种吸引力，但它对结构的作用通常是压缩性的。对于矗立在地面上的建筑物，重力会将建筑物的质量拉向地球，挤压柱子和地基。然而，对于悬挂的吊灯，重力会在支撑它的链条上产生张力。
压缩过程中原子会发生什么变化？
在压缩过程中，材料的原子会被迫靠得更近。由于原子间电子云的电磁斥力，它们会抵抗这种挤压。这种原子间的“反作用力”产生了内阻，使物体能够承受载荷。
裁决
当需要以最小的重量跨越长距离或构建柔性支撑时，应选择拉力式结构（例如索和钢丝绳）。当使用石材或混凝土等重型刚性材料来支撑巨大的垂直荷载时，则应采用压力式结构（例如柱和拱）。
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