理论上,挫曲是因为
力学平衡方程式的解出现
分岔(解的本质发生改变)所造成的。在受力增加到一定程度之后,物体会出现二种平衡状态,一种是纯压缩力,另一个是有侧向偏移变形的平衡状态。
挫曲的特点是在结构件中,边缘承受
压缩应力的元件突然断裂,而元件失效时的压应力小于材料可以承受的终极抗压应力。挫曲的数学分析一般会设法加入方向也是轴向,但和轴有一段位移(偏心)的压应力,以产生原来理想施力时不会受现的二次
弯矩。
当在一元件(例如杆件)上的压缩负荷增加,多半最后负荷会大到使元件变形不稳定。若负荷继续加大,会造成明显,甚至无法预测的变形,可能让元件完全无法承受负荷。若变形还不是灾难性的,元件仍会继续承受负载。若挫曲的元件是结构件(例如大楼)中的一部分,会由其他的元件来分担已挫曲元件原来要承受的负载。
柱的有效长度相对于截面积最小
回转半径的比例,称为细长比(slenderness ratio),有时会用希腊字母λ表示。柱的细长比在考虑其挫曲特性时相当重要,以下的值是为了方便使用的近似值。
若柱子的负载有通过其截面的
重心上,称为轴向
负载,若负载未通过
重心上,称为
偏心负载。受轴向压缩力的短柱在挫曲之前,就会因为承受过大的压缩应力而失效,但受轴向压缩力的长柱会因挫曲而失效,失效时轴向压缩应力的影响其实不大,可以忽略。中间长度的柱子在其失效时,是因为压缩应力及挫曲总和的结果而失效。
数学家
莱昂哈德·欧拉在1757年提出了细长理想柱在不挫曲的情形下,可以承受的最大轴向压缩力。理想柱是指直的、均匀的、没有初始应力的柱子。其最大负载(有时称为临界负载)会使柱处于一个不稳定的
平衡状态,任意小的侧向力都会使柱因为挫曲而失效。以下的公式不考虑侧向力,不过若将侧向力考虑进来,其临界负载的数值几乎不会变化。