A NNALI DELLA
S CUOLA N ORMALE S UPERIORE DI P ISA Classe di Scienze
G IANCARLO P OCCI
Obbiettività ed isotropia nella teoria delle volte elastiche
Annali della Scuola Normale Superiore di Pisa, Classe di Scienze 3
esérie, tome 23, n
o4 (1969), p. 697-709
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NELLA TEORIA DELLE VOLTE ELASTICHE
GIANCARLO POCCI
Introduzione.
Ci
proponiamo
inquesto
lavoro di adattare ad uno schema bidi- mensionale iprincipi
di obbiettività e diisotropia,
che sono stati con suc-cesso
applicati
allo studio di un continuo tridimensionaleelastico,
e deiquali
il lettore
può
trovareun’ampia
rassegna in[1].
La forma delprincipio
diobbiettività,
cos come noi la esporremo, sarà tale da coincidere con l’enun- ciato diZaremba Ved.
ad es.,1,
pag.45].
Avvertiamo il lettore che il continuo bidimensionale che noi considere-
remo è una descrizione del
tipo superficie
diCosserat, già
considerata da altri autori(si
veda ad es.[2]),
di una volta sottile formata da materiale elasticoisotropo [ 1,
pagg.119-140] ;
per il formalismo che adotteremo ci rial- lacciamo ad un altro nostro lavoro[3]
ed allabibliografia
inquesto riportata.
1.
General tà.
Consideriamo un continuo schematizzato in una
superficie
Q inogni punto
dellaquale
è definito un vettore maitangente
allasuperficie
che di-remo « direttore ». Noi supporremo che
superficie
e direttore consentano nnarappresentazione sufficiente,
per certiscopi,
di una volta.Imporremo
allarappresentazioue
delle restrizioni(simili
edanaloghe
restrizioni che si intro- ducono in teorietridimensionali),
che trascrivono sullo schema l’idea che la volta sia costituita da materiale elasticoisotropo [1].
Sullasuperficie
sia 08-Pervennto alla Redazione il 6
Giugno
1969.Lavoro eseguito nell’ambito dell’attività del Gruppo di Ricerca Matematica N. 44 del C. N. R. per l’anno accademico 1968 - -’69 presso FIstituto Matematico della Facoltà di Scienze dell’Università di Pisa.
sato un sistema di coordinate
lagrangiane (xi)
ed uno dei due riferimenti naturalii = P òr n
associati aqueste
qcoordinate,
e sia d =d (P, t (
=== d
x2, t)
il direttore.Facciamo
l’ipotesi
che fra tutte lepossibili
scelte di un campo d(ri , x2, t)
atte a descrivere sullo schema bidimensionale la deformazione
(sostanzial-
mente
tridimensionale)
del nostro continuosottile,
ce ne sia una sola cherende tale descrizione la
più semplice possibile.
Noi ammetteremopiù
pre- cisamente che la determinazione siapossibile
in modo che in unaconfiga-
o
razione naturale
S~,
chesupponiamo esistente,
il vettore drisulta,
inogni
,
o o
,
punto
diQ,
normale ad D.Questa configurazione
sarà presa comeconfigu-
razione di riferimento e le
grandezze
che si riferiscono ad essa avrannotutte la
soprasegnatura
« o ».2.
Geometria della deformazione.
Per
meglio
illustrare ciò che andremoesponendo
consideriamo ora uncontinuo tridimensionale sul
quale
sia fissato un sistema di coordinate la-grangiane (1).
Le tre condizioni
definiscono univocamente il tensore
spostamento
F.Se,
come èpossibile
inquesto
caso, noiscegliamo
le coordinate in modo che nellaconfigura-
zione di riferimento tale sistema di coordinate sia cartesiano e di versori costanti Ch e
prendiamo
un sistema di coordinate cartesiano fisso esterno(xh ,
larappresentazione
mista sulle due basi del tensore del secondo ordine Fporta
alle ben notequantità
essendoappunto :
In altre
parole
noi abbiamo che F = Ci0
e~ .Torniamo adesso al nostro continuo bidimensionale
(2)
ed osserviamo che inquesto
caso le due condizioni(i) In qnesto esempio introduttivo noi adottiamo la convenzione usuale secondo la
qnale gli indici latini vanno da 1 a B.
(2) Ed alla nostra convenzione sugli indici latini
[3].
non determinano univocamente il tensore
F, perchè
la lorosoluzione,
cheo o
possiamo
mettere nella formagenerale F
= g~® gl +
a(9
li con a arbi-trario,
non è unica.Se noi
poniamo
a = d il tensore F che ne risulta descrive la defor- mazione secondo lineeanaloghe
aquelle classiche,
maquesta scelta,
per imetodi che
applicheremo
non risulta lapiù opportuna.
Ci conviene invece porre a = n in modo che F descrive lospostamento puramente superficiale.
o
Ciò è
possibile
anche in virtù del fatto che dato il tensore F* = gi~ 9I +
o o
+
d(9
n(ed n)
restano univocamente determinati sia il tensore F = gi@
o o
+
i~ che il vettored,
e viceversaquesti
due enti determinano univocamenteF* ; quindi ogni
funzione di F*può
essesepensata
come fiin-zione di F e d e viceversa.
Sia
dunque
F definito dallerisultando ;
Si
imporrà
che siasempre I F i >
0.Abbiamo :
F
può
esseredecomposto
nelle duedecomposizioni polari
date da F = 0 ·. U = Y . 0 in cui il tensore
ortogonale
0 èproprio ( O I
=1)
ed ~I e Vsono simmetrici e definiti
positivi.
Risulta :
3.
Prime ipotesi costitutive.
Consideriamo a
questo punto
leequazioni
termodinamiche che abbiamo scritto nel nostroprecedente
lavoro~3].
Se escludiamo cheintervengano qui
le
grandezze
per unità disuperficie,
che avevamo a saotempo
introdotteper avere una
maggiore generalità,
in taliequazioni rimangono
leseguenti
grandezze,
caratterizzanti il materiale :energia specifica (per
unità dimassa), degli
scalari q,entropia specifica,
g:, energia
liberaspecifica ;
un vettore
h,
flusso dicalore;
due tensori del
T,
tensore distress,
secondo
ordine, u,
tensore dei momenti.Supponiamo
cherispetto
ad unassegnato
osservatorequeste grandezze
siano funzioni di Q,
0, F6, d,
F(funzioni
dirisposta
oequazioni
costi-tutive) (3) (4).
Precisamente noi intendiamo che
queste
funzioni sono ben definitequando
siaassegnata rispetto
all’osservatore laposizione
dellaconfigurazione
di riferimento. Ci si convince subito che una traslazione
rigida
dellaconfigu-
razione di riferimento non alterando nessuna delle
grandezze
in considera-zione non altera la loro
dipendenza funzionale,
mentrequesta può
cambiarese noi ruotiamo
rigidamente
laconfigurazione
diriferimento,
cambiando lasua
posizione
relativarispetto
all’osservatore.Si ponga
quindi :
cos come per
gli
altri scalari e per il tensore 3f. Nelle(3.1)
abbiamo sottin- teso brevitàgl-i argoiiienti
scalari o e 0.Ossei-viaiiio innanzitutto che le
(3.1)
devono essere in d. Però cisono ulteriori restrizioni al
tipo
didipendenza funzionale ;
peresplicitarle
sono necessarie alcune premesse.
Pensiamo di ruotare la
configurazione
attuale con una rotazionerigida
caratterizzata da un tensore
ortogonale proprio 1~, ~ R =1;
di conseguenza(3) L’ipotesi di indipenlenza dal posto corrisponde ad assumere
1’omogeneità
del ma-teriale costituente la volta.
(4) Nella lista degli argomenti può essere compreso nuche 6’ii, che qui trascuriamo per semplicità, pnr riservandoci di prenderlo in considerazione quando la sua introduzi oe
ci sembrerà
opportuna.
Si veda in proposito anche una osservazione alla fine del 4. nun
qualunque segmento
orientato a dellaconfigurazione
attuale si trasforma nelsegmento
orientato Precisamente conquesta operazione
noi im-ma,giniamo
di ruotare l’osservatore e laconfigurazione
diriferimento,
comeun tutto
rigido,
diRT.
Un vettore a sarà detto « della » o «
appartunamente
alla »configura-
zione attuale se per sua definizione esso, per una
qualunque R,
si trasformacome un
segmento
orientato dellaconfigurazione
attuale.Fsprimeremo questo
fatto scrivendo che a --~ r~’ = R · a.Il concetto lo
possiamo
estendere ai tensori : adesempio
il vettore h ed il tensore T(ed sono)
enti dellaconfigurazione attuale, perché
comeconseguenza di una rotazione e Si noti invece
Possiamo anche pensare di ruotare
(rispetto all’osservatore)
laconfigu-
razione di
riferimento,
o «iniziale », di una Rpropria
ed adottare le defi-nizioni
precedentemente poste.
Gli entih, T,
~f sonoindipendenti
da unarotazione sulla
configurazione
iniziale e noi diremo che « nonappartengano
alla » o ~ non sono della *
configurazione
iniziale. Il enon ha
quindi
un carattere definito diappartenenza
all’una o all’altra con-figurazione.
Il tensore II considerato nelle(2.3) appartiene
allaconfigurazione
iniziale
(mentre
Vappartiene
aquella finale).
Perquanto
abbiamo detto inprecedenza
segue che le funzioni dirisposta godono
delleseguenti proprietà :
per
ogni
tensoreortogonale proprio
R.Per introdurre nel nostro schema bidimensionale il concetto di
isotropia ,del
materiale costituente lavolta,
noi nonpossiamo,
come in un continuotridimensionale, imporre
che le(3.1)
siano invarianti per unagenerica
rota-zione
rigida
dellaconfigurazione iniziale, perché
questaipotesi
che ègià
incontrasto con una immediata intuizione condurrebbe a
degli sviluppi
teoricidi interesse limitato.
In effetti accettiamo per un momento come vera
questa ipotesi,
e con-sideriamo una situazione di
equilibrio isotermo;
allora~ o o o """ o o
=T[o,Fi,.F’-(n-F’)®n]=T(F)
doveSe la fosse invariante per una rotazione R sulla
configurazione
-
iniziale,
di taleproprietà godrebbe
anche laT(F*)
e si avrebbe che11. dnnali Scuola Norm. Sup. · Pita,
°
n
’ (F*) = T (F*.ILT).
Combinandoquesta proprietà
conquella
valida anche per la,T (F~‘)
espressa dalle(3.2)
avremmo che perqualunque R, ortogonali propri
sarebbe :Consideriamo adesso la
decomposizione polare
~’~ =( ~ =1)
eprendiamo k2
in modo cheI~T
edh’i
=OT.
Abbiamo :Da.
quest’nltimo
risultato discende facilmente che in un riferimento in cui V* èdiagonale
anche T lo è. T sarebbe simmetrico equindi
un tensoredi
superficie,
ma ègià questa proprietà
non ègeneralmente
accettabile.Noi allora che le
funzioni
di(3.1)
sono invariantiper
ogni
rotazione9-igi(la
dellaconfigurazione
iniziale che conserva invag-iatao
la
giacitura
delpiano tangente
allasuperficie
iniziale Q nelpunto
P consi-derato.
1J
facile costruire i tensori caratterizzanti talirotazioni,
tensori chea o o
indicheremo con R. Infatti una rotazione di S~ attorno ad n è caratterizzata
o o o o o
da un tensore
ortogonale R(+)
=+
u®
Il, doveQ(+)
è un tensore orto-o
gonale proprio appartenente
adO2, spazio
tensoriale bidimensionale tan-o o
gente
ad Q nel considerato. TJna rotazione diampiezza n
attornoo o
ad un asse
per P, tangente
ad Q e di versarei,
è caratterizzata dal ten-’ o o o
sore R = i
~ i - ,j (9,i ~
Il,dove j
è un versoreortogonale
ad i e n,o o
Una combinazione delle due ci dà il tensore
jR(_)=== Q+) ’ (i
~QD i "’ .l
o o o o o o o
-
n ® n)
=Q(-)
- n~
ii, dove è un tensoreortogonale
diO2
e coldeterminante
uguale
a - l.4.
Conseguenze deiripotesi
diisotropia.
Si
sottoponga
ora laconfigurazione
finale ad una rotazione R* tale cheo
2~’n
= yl. Si consideriF1
= R’~ · h’ e ladecomposizione polare
oF,
=VI - ~ 01,
e si osservi che
0, rappresenta
una rotazione attorno ad 11. Si ponga ancora per brevità Rff _ VO =~,
= ò.È
innanzitutto : -.Le funzioni a secondo membro delle
(4.1) godono
dellaproprietà
cheo
per
qualunque
rotazione ~’(del tipo considerato) è :
o
e per un
qualunque R1 (5)
abbiamo ancorao
Se infine
prendiamo
R ~Or
abbiamo che nei secondi membri delle(4.1)
sipuò
sostituireF1
con allora le funzionigodono
delleproprietà
espresse dalle :o
Per
qualunque
Rproprio.
Occupiamoci
innanzitutto dello scalare e e del vettoreh,
e cominciamo1/2 o o
con l’osservare che si
può porre Yl
=B1/2 il ® n
conB,
tensore simme-(5) che rappresenta uua rotazione conten poianea di entrambe le configurazioni im- maginate come nn tutto rigido.
o
trieo del secondo ordine di
c52. Inoltre, posto
d =dt+ d3n,
ed ancorao o
8 = ót -~- d3n
conó~ = li~. ~l~ ~
si vede che esistono incSz
delle funzioni did3 , ~~3~ BI/2
tali che :e che
queste f1lnz’ioni
s>i opari
ind3
e inòi, sepai,atai iente, d3
risulta determinato a meno del segno.
Occupiamoci
della funzioneT (V6, d, F).
Possiamo porrecon
T,
e t elementiappartenenti
allospazio
bidimensionalecS2 tangente
alla
configurazione
attuale nelpunto
considerato.Quando
ruotiamo con R*il tensore T i vari termini considerati si trasformano
separatamente
in modo chepossiamo
porre :o ~-V
Possiamo immediatamente asserire che esiste in
c§z
uua funzioneT (d3 , ót ~ Ã, Bi~2)
tale che :pari
ind3
eó~
oPrefissato uno dei due
possibili
versi della normale n, la funzione- o
t
(À, a, V,)
risulta ben determinata e risulta anche determinata ind2
una,...
- "! 1/2
ót, A, Bz)
tale chepari
nellacoppia
di variabili(d3 ~ ót).
Se fissato
ót
noi cambiamo segno ada,
9 ciòcorrisponde
a can1biareo
verso ad ii ed ii, e
quindi
il vettore t deve andare nel suoopposto. Questo
ci
porta
ascegliere
unat (d3 ~t , À, Bi~~~) dispari
ind,
e anche inòt.
Poiché
questa
funzione èsupposta regolare
inòt
abbiamo comeprima
con-seguenza : per
Òt
= 0 è t = 0 ed il di stress(e quello
deisono enti di
superficie.
o o D o o
Se osserviamo che R - ò = ~
(Òt + d3 i~) = l~ . ót -I- d3
n,(dove
nell’ultimoo
membro vale il segno
superiore
o inferiore a seconda chevale
1 o-1)
abbiamo c1e
l’applieazione
delle(4.3) porta
ad asserire che :Analogamente :
Infine da :
risulta :
I risultati trovati ci dicono che le funzioni
o
che
a,bbiamo introdotto e cbe sono definite nellospazio
bidimensionale4
o , , ,o
più
brevemente nella(di C53)1
sono funzioniisotrope [1] L
inquesta giacitura,
cioè laproprietà
che caratterizzal’isotropia [1,
pag.23]
è,
o o
verificata per
qualunque
tensoreortogonale Q appartenente
adc~,
comerisulta dalle
uguaglianze scritte (6)~
(6) Se noi introdncianio nelle funzioni di risposta anche
Vd,
soddisfacendo qnestoente all«-t condizione n = 0, esso può essere decomposto in enti di Inperf1cie nello
stesso rnodo adottato per i tensori 1’ ed M, in modo che (a parte la presenza di un mag-
gior nnruero di variabili nelle funzioni di risposta) i risultati di questo lavoro restano
essenzialmente inalterati.
5.
Conclusione.
Interessa ai nostri
scopi
il Lseguente
teorema.Sia Y
(,171 f B2 ,
... ,X,n)
unafun.zione
dove Y cgli Xr
sonoo
te i,soi-i di
qualunque
ordineappartenenti
ad zcnac52
dic5a:
lao
’
f(X, , X2, ... , X~,)
siaisotropa
in,~S~ .
Esiste allorcc una ed unasola funzione
di ~~z tensori variabili
Xr
chesodd’isja
alleseguenti proprietà:
a) .È definita quando gli Xr appartengono
tutti ad una medesimagia-
citura.
o
fl)
Coincide inc52
con laassegnata.
y) È isotropa in
lilunicità è assicurata dalle
proprietà a)
e2,).
Inoltre laproprietà y)
ci dioe che Y deve
appartenere
adogni giacitura
clie contienegli Xr.
Diamo
qui
la dimostrazione del teorema nel casosemplice
nelquale
la funzione in
questione
è un vettore y==f (x, X)
fnnzione di un vettoree di un tensore del secondo ordine. La dimostrazione in altri casi
segui-
rebbe linee del tutto
avaloghe.
o o
Sia n la normale a
C’52
ed n la normale ad m’altragiacitura c52 qualunque,
o
e si consideri un tensore
ortogonale, 0
tale che ().n == Il. Se ()* è uno di, , , , ,
o
, ,
questi
tensori la soluzione dellaequazione
inO ;
0 - ii ti si possono riassn-0 0 0
mere nella forma
generale
0=((
± Il(3) n). 0*. Q
± ii@ dove Q (ortogo-
o o o
nalej appartiene
ac~2
el~ (ortogonale) appartiene
a e~,)
hanno de-terminante dello stesso segno, e nel
prodotto
si devonoprendere
isegni superiori
o inferiori a seconda che tale determinante siapositivo
o negao
tivo. Se x e X
appartengono
adO2,
1 e Ul’. X . 0appartengono
adSi definisca :
,
Tale funzione è innanzitutto
isotropa
inC52 -
Sia infatti
~)1
1 nn tensoreortogonale
diCS2’ allora
o
Ora OT. () è un tensore
ortogonale
dic3z
equindi : (li’ 0). ( 0" 0)
=o o o o o 0 0 0
= I,
essendo I l’unità ind2.
D’altraparte
f(X, X)
è tale che 1 f(x, ~)=
-- 1.~ o
= f
(x, X ). Quindi :
Inoltre risulta :
Moltiplichiamo
a sinistra entrambi i membri perQT
e aprimo
membroportiamo QT
amoltiplicare gli argomenti
della funzione. Si trova cheposto
è la funzione definita
è
quindi indipendente
dal tensoreortogonale
0 usato per costruirla.Siano ora xi ,
X~
elementiappartenenti
ad unagiacitura cS2
eappartenenti
ad un’altrao
Siano
0~
e0~
due tensoriortogonali
che trasformanoc52
inc52
e(~2’
rispettivamente (7). ~ :
Sia
U12
un tensore che trasforma lagiacitura c52
nellac5;,
e lecoppie
dielementi scelti siano tali che :
Poichè risulta
Ritornando ora
agli sviluppi
delparagrafo precedente
noipossiamo
’considerare estesa a
qualunque giacitura
la definizione delle funzioni a secondo membro nelle(4.5).
Risultando esse funzioniisotrope
dei loro argo-menti, possiamo
scrivere che :o
(7) Cioè trasformano ogni tensore che appartiene ad
c52
in tensori che appartergonoo o
ad
d’2
e rispettivamente.Ma Risulta inoltre che :
1 1 ~ 1
avendo
posto
V = =+
n@
tt.È quindi ; ~’~T. B1 .
R* = B 2 .Tenuto conto dei risultati ora
trovati, possiamo
scrivere che :Portando nelle
(4.5)
il tensore R* dalprimo
al secondo membro edoperando
come inprecedenza
seguono le :(continuando
ancora a sot~tintendere le altre variabili scalari Q,9).
l.Jetre
ficraziorai
sonopnri
ind3
edt
l’itltiii a è invecedispari
inciascuna di
queste
variabili.o
Le nostre funzioni possono anehe esser calcolate nella
giacitura c52
per valoridegli argomenti
l’uotati apartire
daquelli
contenuti nelle(5.1)
diOT,
eàsendo O definito dalladecomposizione polare F
= O. U. Allora Bl/2o o
si trasforma in CI/2 con C definito dalla
(FT. I~’)’l ~
= CI/2+
n(D ii,
ed abbiamo :Si riconosce nelle
(5.1)
e(5.2) 1’analogia
con i risultati che siavrebbero,
inmaniera
pi i immediata,
in un simile caso tridimensionale.Conclndiamo osservando che le
(5.1)
ci dicono cheogni equazione
costitutiva scalare o vettoriale risulta una funzione
isotropa
inc53
almenose come
argomenti
di tali funzionicompaiono d , dt, B (al posto
di d edF).
Una funzione tensoriale come T nongode invece,
neppure conquesta
scelta delle
variabili,
di una taleproprietà, perché
lacomposizione
non
gode
dellaproprietà
diisotropia
nonessendo,
adesempio,
invariantein forma
rishetto
a riflessioni dellanormale(’).
(8j Nolla veritica della proprietà di isotropia non dobbiamo stavolta, cambiando il
verso di n, cambiare segno a
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