บีบหรือยืด?

ทุกส่วนของโครงสร้างถูกส่วนที่อยู่ข้าง ๆ ผลักหรือดึงอยู่ วิศวกรแบ่งแรงภายในเหล่านี้ออกเป็นไม่กี่ประเภท:

• แรงอัด: วัสดุถูก บีบ เสาใต้หลังคา หรือกองหนังสือที่ถูกมือกด
• แรงดึง: วัสดุถูก ยืด เชือกที่แขวนโคมไฟ สายเคเบิลของสะพาน หรือยางรัดที่ถูกยืด
• แรงเฉือน: ชั้นของวัสดุพยายาม เลื่อนผ่านกัน เหมือนการใช้กรรไกรตัดกระดาษ
• การดัด: คานแอ่นลง ขอบด้านบนจึงถูกบีบ ส่วนขอบด้านล่างถูกยืด

แรงเพียงอย่างเดียวไม่ได้บอกว่าส่วนหนึ่งจะรับไหวหรือไม่ สิ่งสำคัญคือแรงที่กระจายอยู่บนพื้นที่ที่รองรับแรงนั้น นี่คือ ความเค้น: stress = force ÷ area ซึ่งวัดเป็นปาสกาล (Pa) หรือเมกะปาสกาล (MPa, ปาสกาลหลายล้านหน่วย) แรง 1 kN (ประมาณน้ำหนักของมวล 100 kg) ที่ห้อยจากแท่งซึ่งมีพื้นที่หน้าตัด 100 mm² ให้ค่า 1 000 N ÷ 0.0001 m² = 10 MPa

วัสดุไม่ได้เก่งเท่ากันในงานทั้งสองแบบ หิน อิฐ และคอนกรีตแข็งแรงเมื่อรับแรงอัด แต่ไม่แข็งแรงเมื่อรับแรงดึง โดยคร่าว ๆ แล้ว ความต้านทานแรงดึงของวัสดุเหล่านี้มีค่าประมาณ หนึ่งในสิบของความต้านทานแรงอัด และมักจะน้อยกว่านั้น หากดึงคานหิน มันจะแตกร้าวนานก่อนที่ก้อนหินขนาดเท่ากันซึ่งถูกบีบอัดจะแตกเสียอีก เหล็กกล้าและเชือกเป็นวัสดุคนละแบบกัน: เหล็กกล้าแข็งแรงทั้งเมื่อรับแรงดึงและแรงอัด ส่วนเชือกหรือสายเคเบิลเหมาะมากกับแรงดึง แต่ใช้กับแรงอัดไม่ได้ เพราะเมื่อผลักเชือก เชือกก็จะหย่อนทันที

ยังมีข้อควรระวังอีกอย่างหนึ่ง ชิ้นส่วนที่ เรียว และถูกบีบอัดจะไม่แหลกก่อน แต่จะ โก่งเดาะ โดยโค้งออกด้านข้างเหมือนไม้บรรทัดที่ถูกกดจากปลายทั้งสองด้าน นั่นจึงเป็นเหตุผลว่าทำไมเสาหินจึงต้องหนา และทำไมชิ้นส่วนเหล็กกล้าที่รับแรงอัดจึงทำเป็นท่อหรือหน้าตัดลึก แทนที่จะเป็นแท่งบาง ๆ

บทเรียนสำหรับนักออกแบบก็คือ รูปร่างของโครงสร้างเป็นตัวกำหนดว่าโครงสร้างใช้แรงภายในชนิดใด เรามักเลือกรูปร่างให้วัสดุที่อ่อนแอเมื่อรับแรงดึงรู้สึกได้เฉพาะแรงอัดเท่านั้น นั่นคือสิ่งที่ โค้ง ทำ และเมื่อมีวัสดุที่แข็งแรงต่อแรงดึง สายเคเบิล คือวิธีที่เบาที่สุดในการรับน้ำหนักข้ามช่องว่าง