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<!-- Created by Wolfram Mathematica 5.2 -->

<html xmlns="http://www.w3.org/1999/xhtml">
<head>
 <title>
  Lecture 10 MIT 3.016 (Fall 2005)&nbsp;&nbsp;&nbsp;&copy; W. Craig Carter 2003-2005
 </title>
 <link href="HTMLFiles/Lecture-10.css" rel="stylesheet" type="text/css" />
</head>

<body style="font-family: Helvetica;background-color: #FFFB6A;">

<p class="Title">
 Stress Strain, Principal Axes, and Mohr's Circle
</p>



<p class="Section">
 <a id="mtag_10_principal_axes"></a>
 General Stress State&nbsp;&nbsp;in Principal Axes&nbsp;&nbsp;System
</p>



<p class="Text">
 This is a general state, we will rotate about the <span style='font-style: italic;'>z</span>-axis and compare the result to a general two-dimensional stress state.
</p>



<p class="Input">
 <a id="mtag_10_stress_tensor__principal_axes"></a>
 <a id="mtag_10_stress_tensor_2D__principal_axes"></a>
 <img src="HTMLFiles/Lecture-10_1.gif" alt="&sigma;tensordiag = ({{&sigma;princ_xx, 0, 0}, {0, &sigma;princ_yy, 0}, {0, 0, &sigma;princ_zz}}) ;"  width="429" height="100"  style="vertical-align:middle" />
</p>

<p class="Input">
 <a id="mtag_10_stress_tensor__principal_axes"></a>
 <a id="mtag_10_stress_tensor_2D__principal_axes"></a>
 <img src="HTMLFiles/Lecture-10_2.gif" alt="&sigma;tensordiag//MatrixForm"  width="239" height="23"  style="vertical-align:middle" />
</p>

<p class="Output">
 <math xmlns='http://www.w3.org/1998/Math/MathML'>
 <mrow>
  <mo>(</mo>
  <mtable rowspacing='1ex'
      columnspacing='1em'
      columnalign='left'>
   <mtr>
    <mtd>
     <msub>
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      <mi>xx</mi>
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    </mtd>
   </mtr>
   <mtr>
    <mtd>
     <mn>0</mn>
    </mtd>
    <mtd>
     <msub>
      <mi>&sigma;princ</mi>
      <mi>yy</mi>
     </msub>
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    </mtd>
   </mtr>
   <mtr>
    <mtd>
     <mn>0</mn>
    </mtd>
    <mtd>
     <mn>0</mn>
    </mtd>
    <mtd>
     <msub>
      <mi>&sigma;princ</mi>
      <mi>zz</mi>
     </msub>
    </mtd>
   </mtr>
  </mtable>
  <mo>)</mo>
 </mrow>
</math>
</p>

<p class="Section">
 Rotation about <span style='font-style: italic;'>z</span>-axis by angle &theta;
</p>



<p class="Input">
 <a id="mtag_10_rotation_about_z_axis"></a>
 <img src="HTMLFiles/Lecture-10_3.gif" alt="rotmat[&theta;_] := ({{Cos[&theta;], -Sin[&theta;], 0}, {Sin[&theta;], Cos[&theta;], 0}, {0, 0, 1}}) ;"  width="329" height="92"  style="vertical-align:middle" />
</p>

<p class="Input">
 <a id="mtag_10_rotation_about_z_axis"></a>
 <img src="HTMLFiles/Lecture-10_4.gif" alt="rotmat[&theta;]//MatrixForm"  width="212" height="23"  style="vertical-align:middle" />
</p>

<p class="Output">
 <math xmlns='http://www.w3.org/1998/Math/MathML'>
 <mrow>
  <mo>(</mo>
  <mtable rowspacing='1ex'
      columnspacing='1em'
      columnalign='left'>
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    <mtd>
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      <mi>Cos</mi>
      <mo>[</mo>
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      <mo>]</mo>
     </mrow>
    </mtd>
    <mtd>
     <mrow>
      <mo>-</mo>
      <mrow>
       <mi>Sin</mi>
       <mo>[</mo>
       <mi>&theta;</mi>
       <mo>]</mo>
      </mrow>
     </mrow>
    </mtd>
    <mtd>
     <mn>0</mn>
    </mtd>
   </mtr>
   <mtr>
    <mtd>
     <mrow>
      <mi>Sin</mi>
      <mo>[</mo>
      <mi>&theta;</mi>
      <mo>]</mo>
     </mrow>
    </mtd>
    <mtd>
     <mrow>
      <mi>Cos</mi>
      <mo>[</mo>
      <mi>&theta;</mi>
      <mo>]</mo>
     </mrow>
    </mtd>
    <mtd>
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    </mtd>
   </mtr>
   <mtr>
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    </mtd>
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     <mn>0</mn>
    </mtd>
    <mtd>
     <mn>1</mn>
    </mtd>
   </mtr>
  </mtable>
  <mo>)</mo>
 </mrow>
</math>
</p>

<p class="Section">
 Transformation to general two-dimensional stress state coordinate system by rotating the principal system by &theta; around z-axis
</p>



<p class="Input">
 <a id="mtag_10_similarity_transformation_example"></a>
 <a id="mtag_10_stress__in_rotated_coordinate_system"></a>
 <a id="mtag_10_Transposexx"></a>
 <img src="HTMLFiles/Lecture-10_5.gif" alt="&sigma;rot = Simplify[Transpose[rotmat[&theta;]] . &sigma;tensordiag . rotmat[&theta;]] ;"  width="557" height="23"  style="vertical-align:middle" />
</p>

<p class="Input">
 <a id="mtag_10_similarity_transformation_example"></a>
 <a id="mtag_10_stress__in_rotated_coordinate_system"></a>
 <a id="mtag_10_Transposexx"></a>
 <img src="HTMLFiles/Lecture-10_6.gif" alt="&sigma;rot//MatrixForm"  width="169" height="23"  style="vertical-align:middle" />
</p>

<p class="Output">
 <math xmlns='http://www.w3.org/1998/Math/MathML'>
 <mrow>
  <mo>(</mo>
  <mtable rowspacing='1ex'
      columnspacing='1em'
      columnalign='left'>
   <mtr>
    <mtd>
     <mrow>
      <mrow>
       <msup>
        <mrow>
         <mi>Cos</mi>
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         <mi>&theta;</mi>
         <mo>]</mo>
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       </msup>
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        <mi>xx</mi>
       </msub>
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      <mo>+</mo>
      <mrow>
       <msup>
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         <mi>Sin</mi>
         <mo>[</mo>
         <mi>&theta;</mi>
         <mo>]</mo>
        </mrow>
        <mn>2</mn>
       </msup>
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       </msub>
      </mrow>
     </mrow>
    </mtd>
    <mtd>
     <mrow>
      <mrow>
       <mi>Cos</mi>
       <mo>[</mo>
       <mi>&theta;</mi>
       <mo>]</mo>
      </mrow>
      <mo>&InvisibleTimes;</mo>
      <mrow>
       <mi>Sin</mi>
       <mo>[</mo>
       <mi>&theta;</mi>
       <mo>]</mo>
      </mrow>
      <mo>&InvisibleTimes;</mo>
      <mrow>
       <mo>(</mo>
       <mrow>
        <mrow>
         <mo>-</mo>
         <msub>
          <mi>&sigma;princ</mi>
          <mi>xx</mi>
         </msub>
        </mrow>
        <mo>+</mo>
        <msub>
         <mi>&sigma;princ</mi>
         <mi>yy</mi>
        </msub>
       </mrow>
       <mo>)</mo>
      </mrow>
     </mrow>
    </mtd>
    <mtd>
     <mn>0</mn>
    </mtd>
   </mtr>
   <mtr>
    <mtd>
     <mrow>
      <mrow>
       <mi>Cos</mi>
       <mo>[</mo>
       <mi>&theta;</mi>
       <mo>]</mo>
      </mrow>
      <mo>&InvisibleTimes;</mo>
      <mrow>
       <mi>Sin</mi>
       <mo>[</mo>
       <mi>&theta;</mi>
       <mo>]</mo>
      </mrow>
      <mo>&InvisibleTimes;</mo>
      <mrow>
       <mo>(</mo>
       <mrow>
        <mrow>
         <mo>-</mo>
         <msub>
          <mi>&sigma;princ</mi>
          <mi>xx</mi>
         </msub>
        </mrow>
        <mo>+</mo>
        <msub>
         <mi>&sigma;princ</mi>
         <mi>yy</mi>
        </msub>
       </mrow>
       <mo>)</mo>
      </mrow>
     </mrow>
    </mtd>
    <mtd>
     <mrow>
      <mrow>
       <msup>
        <mrow>
         <mi>Sin</mi>
         <mo>[</mo>
         <mi>&theta;</mi>
         <mo>]</mo>
        </mrow>
        <mn>2</mn>
       </msup>
       <mo>&InvisibleTimes;</mo>
       <msub>
        <mi>&sigma;princ</mi>
        <mi>xx</mi>
       </msub>
      </mrow>
      <mo>+</mo>
      <mrow>
       <msup>
        <mrow>
         <mi>Cos</mi>
         <mo>[</mo>
         <mi>&theta;</mi>
         <mo>]</mo>
        </mrow>
        <mn>2</mn>
       </msup>
       <mo>&InvisibleTimes;</mo>
       <msub>
        <mi>&sigma;princ</mi>
        <mi>yy</mi>
       </msub>
      </mrow>
     </mrow>
    </mtd>
    <mtd>
     <mn>0</mn>
    </mtd>
   </mtr>
   <mtr>
    <mtd>
     <mn>0</mn>
    </mtd>
    <mtd>
     <mn>0</mn>
    </mtd>
    <mtd>
     <msub>
      <mi>&sigma;princ</mi>
      <mi>zz</mi>
     </msub>
    </mtd>
   </mtr>
  </mtable>
  <mo>)</mo>
 </mrow>
</math>
</p>

<p class="Input">
 <math xmlns='http://www.w3.org/1998/Math/MathML'>
 <mrow>
  <mo>(</mo>
  <mtable>
   <mtr>
    <mtd>
     <mrow>
      <mrow>
       <msup>
        <mrow>
         <mi>Cos</mi>
         <mo>[</mo>
         <mi>&theta;</mi>
         <mo>]</mo>
        </mrow>
        <mn>2</mn>
       </msup>
       <mo>&InvisibleTimes;</mo>
       <msub>
        <mi>&sigma;princ</mi>
        <mi>xx</mi>
       </msub>
      </mrow>
      <mo>+</mo>
      <mrow>
       <msup>
        <mrow>
         <mi>Sin</mi>
         <mo>[</mo>
         <mi>&theta;</mi>
         <mo>]</mo>
        </mrow>
        <mn>2</mn>
       </msup>
       <mo>&InvisibleTimes;</mo>
       <msub>
        <mi>&sigma;princ</mi>
        <mi>yy</mi>
       </msub>
      </mrow>
     </mrow>
    </mtd>
    <mtd>
     <mrow>
      <mrow>
       <mi>Cos</mi>
       <mo>[</mo>
       <mi>&theta;</mi>
       <mo>]</mo>
      </mrow>
      <mo>&InvisibleTimes;</mo>
      <mrow>
       <mi>Sin</mi>
       <mo>[</mo>
       <mi>&theta;</mi>
       <mo>]</mo>
      </mrow>
      <mo>&InvisibleTimes;</mo>
      <mrow>
       <mo>(</mo>
       <mrow>
        <mrow>
         <mo>-</mo>
         <msub>
          <mi>&sigma;princ</mi>
          <mi>xx</mi>
         </msub>
        </mrow>
        <mo>+</mo>
        <msub>
         <mi>&sigma;princ</mi>
         <mi>yy</mi>
        </msub>
       </mrow>
       <mo>)</mo>
      </mrow>
     </mrow>
    </mtd>
    <mtd>
     <mn>0</mn>
    </mtd>
   </mtr>
   <mtr>
    <mtd>
     <mrow>
      <mrow>
       <mi>Cos</mi>
       <mo>[</mo>
       <mi>&theta;</mi>
       <mo>]</mo>
      </mrow>
      <mo>&InvisibleTimes;</mo>
      <mrow>
       <mi>Sin</mi>
       <mo>[</mo>
       <mi>&theta;</mi>
       <mo>]</mo>
      </mrow>
      <mo>&InvisibleTimes;</mo>
      <mrow>
       <mo>(</mo>
       <mrow>
        <mrow>
         <mo>-</mo>
         <msub>
          <mi>&sigma;princ</mi>
          <mi>xx</mi>
         </msub>
        </mrow>
        <mo>+</mo>
        <msub>
         <mi>&sigma;princ</mi>
         <mi>yy</mi>
        </msub>
       </mrow>
       <mo>)</mo>
      </mrow>
     </mrow>
    </mtd>
    <mtd>
     <mrow>
      <mrow>
       <msup>
        <mrow>
         <mi>Sin</mi>
         <mo>[</mo>
         <mi>&theta;</mi>
         <mo>]</mo>
        </mrow>
        <mn>2</mn>
       </msup>
       <mo>&InvisibleTimes;</mo>
       <msub>
        <mi>&sigma;princ</mi>
        <mi>xx</mi>
       </msub>
      </mrow>
      <mo>+</mo>
      <mrow>
       <msup>
        <mrow>
         <mi>Cos</mi>
         <mo>[</mo>
         <mi>&theta;</mi>
         <mo>]</mo>
        </mrow>
        <mn>2</mn>
       </msup>
       <mo>&InvisibleTimes;</mo>
       <msub>
        <mi>&sigma;princ</mi>
        <mi>yy</mi>
       </msub>
      </mrow>
     </mrow>
    </mtd>
    <mtd>
     <mn>0</mn>
    </mtd>
   </mtr>
   <mtr>
    <mtd>
     <mn>0</mn>
    </mtd>
    <mtd>
     <mn>0</mn>
    </mtd>
    <mtd>
     <msub>
      <mi>&sigma;princ</mi>
      <mi>zz</mi>
     </msub>
    </mtd>
   </mtr>
  </mtable>
  <mo>)</mo>
 </mrow>
</math>
</p>

<p class="Text">
 Writing the same equation in a slightly different way...
</p>



<p class="Input">
 <a id="mtag_10_Collectxx"></a>
 <a id="mtag_10_TrigReducexx"></a>
 <img src="HTMLFiles/Lecture-10_7.gif" alt="&sigma;rotalt = Collect[&sigma;rot//TrigReduce, {Cos[2&theta;], Sin[2 &theta;]}] ;"  width="505" height="23"  style="vertical-align:middle" />
</p>

<p class="Input">
 <a id="mtag_10_Collectxx"></a>
 <a id="mtag_10_TrigReducexx"></a>
 <img src="HTMLFiles/Lecture-10_8.gif" alt="&sigma;rotalt//MatrixForm"  width="192" height="23"  style="vertical-align:middle" />
</p>

<p class="Output">
 <math xmlns='http://www.w3.org/1998/Math/MathML'>
 <mrow>
  <mo>(</mo>
  <mtable rowspacing='1ex'
      columnspacing='1em'
      columnalign='left'>
   <mtr>
    <mtd>
     <mrow>
      <mrow>
       <mfrac>
        <mn>1</mn>
        <mn>2</mn>
       </mfrac>
       <mo>&InvisibleTimes;</mo>
       <mrow>
        <mi>Cos</mi>
        <mo>[</mo>
        <mrow>
         <mn>2</mn>
         <mo>&InvisibleTimes;</mo>
         <mi>&theta;</mi>
        </mrow>
        <mo>]</mo>
       </mrow>
       <mo>&InvisibleTimes;</mo>
       <mrow>
        <mo>(</mo>
        <mrow>
         <msub>
          <mi>&sigma;princ</mi>
          <mi>xx</mi>
         </msub>
         <mo>-</mo>
         <msub>
          <mi>&sigma;princ</mi>
          <mi>yy</mi>
         </msub>
        </mrow>
        <mo>)</mo>
       </mrow>
      </mrow>
      <mo>+</mo>
      <mrow>
       <mfrac>
        <mn>1</mn>
        <mn>2</mn>
       </mfrac>
       <mo>&InvisibleTimes;</mo>
       <mrow>
        <mo>(</mo>
        <mrow>
         <msub>
          <mi>&sigma;princ</mi>
          <mi>xx</mi>
         </msub>
         <mo>+</mo>
         <msub>
          <mi>&sigma;princ</mi>
          <mi>yy</mi>
         </msub>
        </mrow>
        <mo>)</mo>
       </mrow>
      </mrow>
     </mrow>
    </mtd>
    <mtd>
     <mrow>
      <mfrac>
       <mn>1</mn>
       <mn>2</mn>
      </mfrac>
      <mo>&InvisibleTimes;</mo>
      <mrow>
       <mi>Sin</mi>
       <mo>[</mo>
       <mrow>
        <mn>2</mn>
        <mo>&InvisibleTimes;</mo>
        <mi>&theta;</mi>
       </mrow>
       <mo>]</mo>
      </mrow>
      <mo>&InvisibleTimes;</mo>
      <mrow>
       <mo>(</mo>
       <mrow>
        <mrow>
         <mo>-</mo>
         <msub>
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         </msub>
        </mrow>
        <mo>+</mo>
        <msub>
         <mi>&sigma;princ</mi>
         <mi>yy</mi>
        </msub>
       </mrow>
       <mo>)</mo>
      </mrow>
     </mrow>
    </mtd>
    <mtd>
     <mn>0</mn>
    </mtd>
   </mtr>
   <mtr>
    <mtd>
     <mrow>
      <mfrac>
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       <mn>2</mn>
      </mfrac>
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      <mrow>
       <mi>Sin</mi>
       <mo>[</mo>
       <mrow>
        <mn>2</mn>
        <mo>&InvisibleTimes;</mo>
        <mi>&theta;</mi>
       </mrow>
       <mo>]</mo>
      </mrow>
      <mo>&InvisibleTimes;</mo>
      <mrow>
       <mo>(</mo>
       <mrow>
        <mrow>
         <mo>-</mo>
         <msub>
          <mi>&sigma;princ</mi>
          <mi>xx</mi>
         </msub>
        </mrow>
        <mo>+</mo>
        <msub>
         <mi>&sigma;princ</mi>
         <mi>yy</mi>
        </msub>
       </mrow>
       <mo>)</mo>
      </mrow>
     </mrow>
    </mtd>
    <mtd>
     <mrow>
      <mrow>
       <mfrac>
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       </mfrac>
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        <mrow>
         <mn>2</mn>
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         <mi>&theta;</mi>
        </mrow>
        <mo>]</mo>
       </mrow>
       <mo>&InvisibleTimes;</mo>
       <mrow>
        <mo>(</mo>
        <mrow>
         <mrow>
          <mo>-</mo>
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          </msub>
         </mrow>
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         <msub>
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          <mi>yy</mi>
         </msub>
        </mrow>
        <mo>)</mo>
       </mrow>
      </mrow>
      <mo>+</mo>
      <mrow>
       <mfrac>
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       </mfrac>
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       <mrow>
        <mo>(</mo>
        <mrow>
         <msub>
          <mi>&sigma;princ</mi>
          <mi>xx</mi>
         </msub>
         <mo>+</mo>
         <msub>
          <mi>&sigma;princ</mi>
          <mi>yy</mi>
         </msub>
        </mrow>
        <mo>)</mo>
       </mrow>
      </mrow>
     </mrow>
    </mtd>
    <mtd>
     <mn>0</mn>
    </mtd>
   </mtr>
   <mtr>
    <mtd>
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    </mtd>
    <mtd>
     <mn>0</mn>
    </mtd>
    <mtd>
     <msub>
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      <mi>zz</mi>
     </msub>
    </mtd>
   </mtr>
  </mtable>
  <mo>)</mo>
 </mrow>
</math>
</p>

<p class="Input">
 <math xmlns='http://www.w3.org/1998/Math/MathML'>
 <mrow>
  <mo>(</mo>
  <mtable>
   <mtr>
    <mtd>
     <mrow>
      <mrow>
       <mfrac>
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       </mfrac>
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        <mo>[</mo>
        <mrow>
         <mn>2</mn>
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         <mi>&theta;</mi>
        </mrow>
        <mo>]</mo>
       </mrow>
       <mo>&InvisibleTimes;</mo>
       <mrow>
        <mo>(</mo>
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         <msub>
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         <msub>
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         </msub>
        </mrow>
        <mo>)</mo>
       </mrow>
      </mrow>
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       <mfrac>
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       </mfrac>
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         <msub>
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         </msub>
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         </msub>
        </mrow>
        <mo>)</mo>
       </mrow>
      </mrow>
     </mrow>
    </mtd>
    <mtd>
     <mrow>
      <mfrac>
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      </mfrac>
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       <mo>[</mo>
       <mrow>
        <mn>2</mn>
        <mo>&InvisibleTimes;</mo>
        <mi>&theta;</mi>
       </mrow>
       <mo>]</mo>
      </mrow>
      <mo>&InvisibleTimes;</mo>
      <mrow>
       <mo>(</mo>
       <mrow>
        <mrow>
         <mo>-</mo>
         <msub>
          <mi>&sigma;princ</mi>
          <mi>xx</mi>
         </msub>
        </mrow>
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        <msub>
         <mi>&sigma;princ</mi>
         <mi>yy</mi>
        </msub>
       </mrow>
       <mo>)</mo>
      </mrow>
     </mrow>
    </mtd>
    <mtd>
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    </mtd>
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   <mtr>
    <mtd>
     <mrow>
      <mfrac>
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      </mfrac>
      <mo>&InvisibleTimes;</mo>
      <mrow>
       <mi>Sin</mi>
       <mo>[</mo>
       <mrow>
        <mn>2</mn>
        <mo>&InvisibleTimes;</mo>
        <mi>&theta;</mi>
       </mrow>
       <mo>]</mo>
      </mrow>
      <mo>&InvisibleTimes;</mo>
      <mrow>
       <mo>(</mo>
       <mrow>
        <mrow>
         <mo>-</mo>
         <msub>
          <mi>&sigma;princ</mi>
          <mi>xx</mi>
         </msub>
        </mrow>
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         <mi>&sigma;princ</mi>
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       </mrow>
       <mo>)</mo>
      </mrow>
     </mrow>
    </mtd>
    <mtd>
     <mrow>
      <mrow>
       <mfrac>
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       </mfrac>
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       </mrow>
       <mo>&InvisibleTimes;</mo>
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        <mo>(</mo>
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         <mrow>
          <mo>-</mo>
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      </mrow>
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       <mfrac>
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       </mfrac>
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         <msub>
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      </mrow>
     </mrow>
    </mtd>
    <mtd>
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    </mtd>
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   <mtr>
    <mtd>
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    </mtd>
    <mtd>
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    </mtd>
    <mtd>
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     </msub>
    </mtd>
   </mtr>
  </mtable>
  <mo>)</mo>
 </mrow>
</math>
</p>

<p class="Text">
 Naming the coefficients of the two-dimensional state in the rotated principal system
</p>



<p class="Input">
 <a id="mtag_10_assignment_of_matrix_elements__example"></a>
 <a id="mtag_10_matrices__example__assigning_element_by_element"></a>
 <math xmlns='http://www.w3.org/1998/Math/MathML'>
 <mrow>
  <mrow>
   <mrow>
    <mo>(</mo>
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     </mtr>
     <mtr>
      <mtd>
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      <mtd>
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       </msub>
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     </mtr>
     <mtr>
      <mtd>
       <msub>
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        <mi>xz</mi>
       </msub>
      </mtd>
      <mtd>
       <msub>
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       </msub>
      </mtd>
      <mtd>
       <msub>
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       </msub>
      </mtd>
     </mtr>
    </mtable>
    <mo>)</mo>
   </mrow>
   <mtext> </mtext>
   <mo>=</mo>
   <mtext> </mtext>
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  </mrow>
  <mo>;</mo>
 </mrow>
</math>
</p>

<p class="Text">
 <math xmlns='http://www.w3.org/1998/Math/MathML'>
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  <mi>axis</mi>
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  <mi>system</mi>
 </mrow>
</math>
</p>

<p class="Input">
 <math xmlns='http://www.w3.org/1998/Math/MathML'>
 <msub>
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  <mi>xx</mi>
 </msub>
</math>
</p>

<p class="Output">
 <math xmlns='http://www.w3.org/1998/Math/MathML'>
 <mrow>
  <mrow>
   <mfrac>
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    <mn>2</mn>
   </mfrac>
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    <mo>[</mo>
    <mrow>
     <mn>2</mn>
     <mo>&InvisibleTimes;</mo>
     <mi>&theta;</mi>
    </mrow>
    <mo>]</mo>
   </mrow>
   <mo>&InvisibleTimes;</mo>
   <mrow>
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     <msub>
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     </msub>
    </mrow>
    <mo>)</mo>
   </mrow>
  </mrow>
  <mo>+</mo>
  <mrow>
   <mfrac>
    <mn>1</mn>
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   </mfrac>
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   <mrow>
    <mo>(</mo>
    <mrow>
     <msub>
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      <mi>xx</mi>
     </msub>
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     </msub>
    </mrow>
    <mo>)</mo>
   </mrow>
  </mrow>
 </mrow>
</math>
</p>

<p class="Input">
 <math xmlns='http://www.w3.org/1998/Math/MathML'>
 <mrow>
  <mrow>
   <mfrac>
    <mn>1</mn>
    <mn>2</mn>
   </mfrac>
   <mo>&InvisibleTimes;</mo>
   <mrow>
    <mi>Cos</mi>
    <mo>[</mo>
    <mrow>
     <mn>2</mn>
     <mo>&InvisibleTimes;</mo>
     <mi>&theta;</mi>
    </mrow>
    <mo>]</mo>
   </mrow>
   <mo>&InvisibleTimes;</mo>
   <mrow>
    <mo>(</mo>
    <mrow>
     <msub>
      <mi>&sigma;princ</mi>
      <mi>xx</mi>
     </msub>
     <mo>-</mo>
     <msub>
      <mi>&sigma;princ</mi>
      <mi>yy</mi>
     </msub>
    </mrow>
    <mo>)</mo>
   </mrow>
  </mrow>
  <mo>+</mo>
  <mrow>
   <mfrac>
    <mn>1</mn>
    <mn>2</mn>
   </mfrac>
   <mo>&InvisibleTimes;</mo>
   <mrow>
    <mo>(</mo>
    <mrow>
     <msub>
      <mi>&sigma;princ</mi>
      <mi>xx</mi>
     </msub>
     <mo>+</mo>
     <msub>
      <mi>&sigma;princ</mi>
      <mi>yy</mi>
     </msub>
    </mrow>
    <mo>)</mo>
   </mrow>
  </mrow>
 </mrow>
</math>
</p>

<p class="Text">
 <math xmlns='http://www.w3.org/1998/Math/MathML'>
 <mrow>
  <mn>2.</mn>
  <mtext> </mtext>
  <msub>
   <mi>&sigma;lab</mi>
   <mi>yy</mi>
  </msub>
  <mo>&InvisibleTimes;</mo>
  <mtext>  </mtext>
  <mi>in</mi>
  <mo>&InvisibleTimes;</mo>
  <mi>laboratory</mi>
  <mo>&InvisibleTimes;</mo>
  <mi>system</mi>
  <mo>&InvisibleTimes;</mo>
  <mi>rotated</mi>
  <mo>&InvisibleTimes;</mo>
  <mi>by</mi>
  <mo>&InvisibleTimes;</mo>
  <mi>&theta;</mi>
  <mo>&InvisibleTimes;</mo>
  <mi>from</mi>
  <mo>&InvisibleTimes;</mo>
  <mi>principal</mi>
  <mo>&InvisibleTimes;</mo>
  <mi>axis</mi>
  <mo>&InvisibleTimes;</mo>
  <mi>system</mi>
 </mrow>
</math>
</p>

<p class="Input">
 <math xmlns='http://www.w3.org/1998/Math/MathML'>
 <msub>
  <mi>&sigma;lab</mi>
  <mi>yy</mi>
 </msub>
</math>
</p>

<p class="Output">
 <math xmlns='http://www.w3.org/1998/Math/MathML'>
 <mrow>
  <mrow>
   <mfrac>
    <mn>1</mn>
    <mn>2</mn>
   </mfrac>
   <mo>&InvisibleTimes;</mo>
   <mrow>
    <mi>Cos</mi>
    <mo>[</mo>
    <mrow>
     <mn>2</mn>
     <mo>&InvisibleTimes;</mo>
     <mi>&theta;</mi>
    </mrow>
    <mo>]</mo>
   </mrow>
   <mo>&InvisibleTimes;</mo>
   <mrow>
    <mo>(</mo>
    <mrow>
     <mrow>
      <mo>-</mo>
      <msub>
       <mi>&sigma;princ</mi>
       <mi>xx</mi>
      </msub>
     </mrow>
     <mo>+</mo>
     <msub>
      <mi>&sigma;princ</mi>
      <mi>yy</mi>
     </msub>
    </mrow>
    <mo>)</mo>
   </mrow>
  </mrow>
  <mo>+</mo>
  <mrow>
   <mfrac>
    <mn>1</mn>
    <mn>2</mn>
   </mfrac>
   <mo>&InvisibleTimes;</mo>
   <mrow>
    <mo>(</mo>
    <mrow>
     <msub>
      <mi>&sigma;princ</mi>
      <mi>xx</mi>
     </msub>
     <mo>+</mo>
     <msub>
      <mi>&sigma;princ</mi>
      <mi>yy</mi>
     </msub>
    </mrow>
    <mo>)</mo>
   </mrow>
  </mrow>
 </mrow>
</math>
</p>

<p class="Input">
 <math xmlns='http://www.w3.org/1998/Math/MathML'>
 <mrow>
  <mrow>
   <mfrac>
    <mn>1</mn>
    <mn>2</mn>
   </mfrac>
   <mo>&InvisibleTimes;</mo>
   <mrow>
    <mi>Cos</mi>
    <mo>[</mo>
    <mrow>
     <mn>2</mn>
     <mo>&InvisibleTimes;</mo>
     <mi>&theta;</mi>
    </mrow>
    <mo>]</mo>
   </mrow>
   <mo>&InvisibleTimes;</mo>
   <mrow>
    <mo>(</mo>
    <mrow>
     <mrow>
      <mo>-</mo>
      <msub>
       <mi>&sigma;princ</mi>
       <mi>xx</mi>
      </msub>
     </mrow>
     <mo>+</mo>
     <msub>
      <mi>&sigma;princ</mi>
      <mi>yy</mi>
     </msub>
    </mrow>
    <mo>)</mo>
   </mrow>
  </mrow>
  <mo>+</mo>
  <mrow>
   <mfrac>
    <mn>1</mn>
    <mn>2</mn>
   </mfrac>
   <mo>&InvisibleTimes;</mo>
   <mrow>
    <mo>(</mo>
    <mrow>
     <msub>
      <mi>&sigma;princ</mi>
      <mi>xx</mi>
     </msub>
     <mo>+</mo>
     <msub>
      <mi>&sigma;princ</mi>
      <mi>yy</mi>
     </msub>
    </mrow>
    <mo>)</mo>
   </mrow>
  </mrow>
 </mrow>
</math>
</p>

<p class="Text">
 <math xmlns='http://www.w3.org/1998/Math/MathML'>
 <mrow>
  <mn>3.</mn>
  <mtext> </mtext>
  <msub>
   <mi>&sigma;lab</mi>
   <mi>xy</mi>
  </msub>
  <mo>&InvisibleTimes;</mo>
  <mtext>  </mtext>
  <mi>in</mi>
  <mo>&InvisibleTimes;</mo>
  <mi>laboratory</mi>
  <mo>&InvisibleTimes;</mo>
  <mi>system</mi>
  <mo>&InvisibleTimes;</mo>
  <mi>rotated</mi>
  <mo>&InvisibleTimes;</mo>
  <mi>by</mi>
  <mo>&InvisibleTimes;</mo>
  <mi>&theta;</mi>
  <mo>&InvisibleTimes;</mo>
  <mi>from</mi>
  <mo>&InvisibleTimes;</mo>
  <mi>principal</mi>
  <mo>&InvisibleTimes;</mo>
  <mi>axis</mi>
  <mo>&InvisibleTimes;</mo>
  <mi>system</mi>
 </mrow>
</math>
</p>

<p class="Input">
 <math xmlns='http://www.w3.org/1998/Math/MathML'>
 <msub>
  <mi>&sigma;lab</mi>
  <mi>xy</mi>
 </msub>
</math>
</p>

<p class="Output">
 <math xmlns='http://www.w3.org/1998/Math/MathML'>
 <mrow>
  <mfrac>
   <mn>1</mn>
   <mn>2</mn>
  </mfrac>
  <mo>&InvisibleTimes;</mo>
  <mrow>
   <mi>Sin</mi>
   <mo>[</mo>
   <mrow>
    <mn>2</mn>
    <mo>&InvisibleTimes;</mo>
    <mi>&theta;</mi>
   </mrow>
   <mo>]</mo>
  </mrow>
  <mo>&InvisibleTimes;</mo>
  <mrow>
   <mo>(</mo>
   <mrow>
    <mrow>
     <mo>-</mo>
     <msub>
      <mi>&sigma;princ</mi>
      <mi>xx</mi>
     </msub>
    </mrow>
    <mo>+</mo>
    <msub>
     <mi>&sigma;princ</mi>
     <mi>yy</mi>
    </msub>
   </mrow>
   <mo>)</mo>
  </mrow>
 </mrow>
</math>
</p>

<p class="Input">
 <math xmlns='http://www.w3.org/1998/Math/MathML'>
 <mrow>
  <mfrac>
   <mn>1</mn>
   <mn>2</mn>
  </mfrac>
  <mo>&InvisibleTimes;</mo>
  <mrow>
   <mi>Sin</mi>
   <mo>[</mo>
   <mrow>
    <mn>2</mn>
    <mo>&InvisibleTimes;</mo>
    <mi>&theta;</mi>
   </mrow>
   <mo>]</mo>
  </mrow>
  <mo>&InvisibleTimes;</mo>
  <mrow>
   <mo>(</mo>
   <mrow>
    <mrow>
     <mo>-</mo>
     <msub>
      <mi>&sigma;princ</mi>
      <mi>xx</mi>
     </msub>
    </mrow>
    <mo>+</mo>
    <msub>
     <mi>&sigma;princ</mi>
     <mi>yy</mi>
    </msub>
   </mrow>
   <mo>)</mo>
  </mrow>
 </mrow>
</math>
</p>

<p class="Text">
 <math xmlns='http://www.w3.org/1998/Math/MathML'>
 <mrow>
  <mrow>
   <mi>All</mi>
   <mo>&InvisibleTimes;</mo>
   <mi>z</mi>
  </mrow>
  <mo>-</mo>
  <mrow>
   <mi>components</mi>
   <mo>&InvisibleTimes;</mo>
   <mi>remain</mi>
   <mo>&InvisibleTimes;</mo>
   <mi>zero</mi>
   <mo>&InvisibleTimes;</mo>
   <mi>except</mi>
   <mo>&InvisibleTimes;</mo>
   <mi>the</mi>
   <mo>&InvisibleTimes;</mo>
   <mi>original</mi>
   <mo>&InvisibleTimes;</mo>
   <mi>diagonal</mi>
   <mo>&InvisibleTimes;</mo>
   <mi>term</mi>
   <mo>&InvisibleTimes;</mo>
   <mrow>
    <msub>
     <mi>&sigma;lab</mi>
     <mi>zz</mi>
    </msub>
    <mo>:</mo>
   </mrow>
  </mrow>
 </mrow>
</math>
</p>

<p class="Input">
 <img src="HTMLFiles/Lecture-10_9.gif" alt="&sigma;lab_yz"  width="58" height="26"  style="vertical-align:middle" />
</p>

<p class="Input">
 <img src="HTMLFiles/Lecture-10_10.gif" alt="&sigma;lab_xz"  width="59" height="23"  style="vertical-align:middle" />
</p>

<p class="Input">
 <img src="HTMLFiles/Lecture-10_11.gif" alt="&sigma;lab_zz"  width="57" height="23"  style="vertical-align:middle" />
</p>

<p class="Output">
 <math xmlns='http://www.w3.org/1998/Math/MathML'>
 <mn>0</mn>
</math>
</p>

<p class="Input">
 <math xmlns='http://www.w3.org/1998/Math/MathML'>
 <mn>0</mn>
</math>
</p>

<p class="Output">
 <math xmlns='http://www.w3.org/1998/Math/MathML'>
 <mn>0</mn>
</math>
</p>

<p class="Input">
 <math xmlns='http://www.w3.org/1998/Math/MathML'>
 <mn>0</mn>
</math>
</p>

<p class="Output">
 <math xmlns='http://www.w3.org/1998/Math/MathML'>
 <msub>
  <mi>&sigma;princ</mi>
  <mi>zz</mi>
 </msub>
</math>
</p>

<p class="Input">
 <math xmlns='http://www.w3.org/1998/Math/MathML'>
 <msub>
  <mi>&sigma;princ</mi>
  <mi>zz</mi>
 </msub>
</math>
</p>

<p class="Subsubsection">
 <a id="mtag_10_stress__example__Mohrs_circle"></a>
 Equations 1, 2, and 3 are the equations that express a circle known as Mohr's circle of stress (see accompanying class notes). The equations show the way in which the stress tensor components in a two-dimensional state of stress (a &quot;biaxial&quot; stress state) vary with orientation of the coordinate system in which the stresses are described.
</p>



<p class="Text">
 <a id="mtag_10_rotation_invariants"></a>
 <math xmlns='http://www.w3.org/1998/Math/MathML'>
 <mrow>
  <mi>Notice</mi>
  <mo>&InvisibleTimes;</mo>
  <mi>that</mi>
  <mo>&InvisibleTimes;</mo>
  <mi>there</mi>
  <mo>&InvisibleTimes;</mo>
  <mi>are</mi>
  <mo>&InvisibleTimes;</mo>
  <mi>two</mi>
  <mo>&InvisibleTimes;</mo>
  <mi>invariants</mi>
  <mo>&InvisibleTimes;</mo>
  <mi>of</mi>
  <mo>&InvisibleTimes;</mo>
  <mi>the</mi>
  <mo>&InvisibleTimes;</mo>
  <mi>general</mi>
  <mo>&InvisibleTimes;</mo>
  <mrow>
   <mi>stress</mi>
   <mo>:</mo>
  </mrow>
 </mrow>
</math>
</p>

<p class="Text">
 The trace (or twice the offset of Mohr's Circle):
</p>



<p class="Input">
 <math xmlns='http://www.w3.org/1998/Math/MathML'>
 <mrow>
  <mi>Simplify</mi>
  <mo>[</mo>
  <mrow>
   <msub>
    <mi>&sigma;lab</mi>
    <mi>xx</mi>
   </msub>
   <mtext> </mtext>
   <mo>+</mo>
   <mtext> </mtext>
   <msub>
    <mi>&sigma;lab</mi>
    <mi>yy</mi>
   </msub>
  </mrow>
  <mtext> </mtext>
  <mo>]</mo>
 </mrow>
</math>
</p>

<p class="Output">
 <math xmlns='http://www.w3.org/1998/Math/MathML'>
 <mrow>
  <msub>
   <mi>&sigma;princ</mi>
   <mi>xx</mi>
  </msub>
  <mo>+</mo>
  <msub>
   <mi>&sigma;princ</mi>
   <mi>yy</mi>
  </msub>
 </mrow>
</math>
</p>

<p class="Input">
 <math xmlns='http://www.w3.org/1998/Math/MathML'>
 <mrow>
  <msub>
   <mi>&sigma;princ</mi>
   <mi>xx</mi>
  </msub>
  <mo>+</mo>
  <msub>
   <mi>&sigma;princ</mi>
   <mi>yy</mi>
  </msub>
 </mrow>
</math>
</p>

<p class="Text">
 And the determinant
</p>



<p class="Input">
 <math xmlns='http://www.w3.org/1998/Math/MathML'>
 <mrow>
  <mi>Simplify</mi>
  <mo>[</mo>
  <mrow>
   <mrow>
    <msub>
     <mi>&sigma;lab</mi>
     <mi>xx</mi>
    </msub>
    <mo>&InvisibleTimes;</mo>
    <mtext>  </mtext>
    <msub>
     <mi>&sigma;lab</mi>
     <mi>yy</mi>
    </msub>
   </mrow>
   <mtext> </mtext>
   <mo>-</mo>
   <mrow>
    <mrow>
     <mo>(</mo>
     <msub>
      <mi>&sigma;lab</mi>
      <mi>xy</mi>
     </msub>
     <mo>)</mo>
    </mrow>
    <mo>^</mo>
    <mn>2</mn>
   </mrow>
  </mrow>
  <mo>]</mo>
 </mrow>
</math>
</p>

<p class="Output">
 <math xmlns='http://www.w3.org/1998/Math/MathML'>
 <mrow>
  <msub>
   <mi>&sigma;princ</mi>
   <mi>xx</mi>
  </msub>
  <mo>&InvisibleTimes;</mo>
  <msub>
   <mi>&sigma;princ</mi>
   <mi>yy</mi>
  </msub>
 </mrow>
</math>
</p>

<p class="Input">
 <math xmlns='http://www.w3.org/1998/Math/MathML'>
 <mrow>
  <msub>
   <mi>&sigma;princ</mi>
   <mi>xx</mi>
  </msub>
  <mo>&InvisibleTimes;</mo>
  <msub>
   <mi>&sigma;princ</mi>
   <mi>yy</mi>
  </msub>
 </mrow>
</math>
</p>

<p class="Text">
 These last two results are precisely the trace and determinant of the x and y terms in the original diagonal form of the stress state, thus illustrating the invariance of these quantities under rotation of coordinate rotations.
</p>



<p class="Text">
 Example of Mohr's circle for two-dimensional body in uniaxial tension with <span><span class="TextInline"><math xmlns='http://www.w3.org/1998/Math/MathML'>
 <msub>
  <mi>&sigma;princ</mi>
  <mi>xx</mi>
 </msub>
</math></span></span> = 10 MPa and all other stress components equal to zero
</p>



<p class="Input">
 <img src="HTMLFiles/Lecture-10_12.gif" alt="&sigma;princ_xx = 10. ;"  width="131" height="25"  style="vertical-align:middle" />
</p>

<p class="Input">
 <img src="HTMLFiles/Lecture-10_13.gif" alt="&sigma;princ_yy = 0. ;"  width="119" height="28"  style="vertical-align:middle" />
</p>

<p class="Input">
 <img src="HTMLFiles/Lecture-10_14.gif" alt="&sigma;princ_xy = 0. ;"  width="120" height="28"  style="vertical-align:middle" />
</p>

<p class="Input">
 <a id="mtag_10_stress__example__Mohrs_circle_plotted"></a>
 <math xmlns='http://www.w3.org/1998/Math/MathML'>
 <mrow>
  <mi>ParametricPlot</mi>
  <mo>[</mo>
  <mrow>
   <mrow>
    <mo>{</mo>
    <mrow>
     <msub>
      <mi>&sigma;lab</mi>
      <mi>xx</mi>
     </msub>
     <mo>,</mo>
     <msub>
      <mi>&sigma;lab</mi>
      <mi>xy</mi>
     </msub>
    </mrow>
    <mo>}</mo>
   </mrow>
   <mo>,</mo>
   <mrow>
    <mo>{</mo>
    <mrow>
     <mi>&theta;</mi>
     <mo>,</mo>
     <mn>0</mn>
     <mo>,</mo>
     <mi>&pi;</mi>
    </mrow>
    <mo>}</mo>
   </mrow>
   <mo>,</mo>
   <mrow>
    <mi>AxesLabel</mi>
    <mo>&rightarrow;</mo>
    <mrow>
     <mo>{</mo>
     <mrow>
      <ms>normal stress</ms>
      <mo>,</mo>
      <ms>shear stress</ms>
     </mrow>
     <mo>}</mo>
    </mrow>
   </mrow>
   <mo>,</mo>
   <mrow>
    <mi>AspectRatio</mi>
    <mo>&rightarrow;</mo>
    <mn>1</mn>
   </mrow>
   <mo>,</mo>
   <mrow>
    <mi>PlotLabel</mi>
    <mo>&rightarrow;</mo>
    <ms> \t \t Mohr Circle for 10 MPa Uniaxial Tension</ms>
   </mrow>
   <mo>,</mo>
   <mrow>
    <mi>PlotStyle</mi>
    <mo>&rightarrow;</mo>
    <mrow>
     <mo>{</mo>
     <mrow>
      <mrow>
       <mi>Thickness</mi>
       <mo>[</mo>
       <mn>0.01</mn>
       <mo>]</mo>
      </mrow>
      <mo>,</mo>
      <mrow>
       <mi>Hue</mi>
       <mo>[</mo>
       <mn>1</mn>
       <mo>]</mo>
      </mrow>
     </mrow>
     <mo>}</mo>
    </mrow>
   </mrow>
  </mrow>
  <mo>]</mo>
 </mrow>
</math>
</p>

<p class="Graphics">
 <img src="HTMLFiles/Lecture-10_15.gif" alt="[Graphics:HTMLFiles/Lecture-10_15.gif]"  width="576" height="576"  style="vertical-align:middle" />
</p>

<p class="Output">
 <math xmlns='http://www.w3.org/1998/Math/MathML'>
 <mrow>
  <mo>&hybull;</mo>
  <mo>&InvisibleTimes;</mo>
  <mi>Graphics</mi>
  <mo>&InvisibleTimes;</mo>
  <mo>&hybull;</mo>
 </mrow>
</math>
</p>

<p class="Input">
 <math xmlns='http://www.w3.org/1998/Math/MathML'>
 <mrow>
  <mo>&hybull;</mo>
  <mo>&InvisibleTimes;</mo>
  <mi>Graphics</mi>
  <mo>&InvisibleTimes;</mo>
  <mo>&hybull;</mo>
 </mrow>
</math>
</p>

<p class="Text">
 Comparing this plot with Figure 10-3 in the lecture notes, we see that the maximum and minimum tensile stresses are 10 and 0 MPa (from intercepts with x axis), as expected, and the maximum shear stress is &plusmn;5 MPa and it is experienced on a plane oriented at 2&theta; = 90&deg; or &theta; = 45&deg; to the tensile axis (remember that angles on Mohr's circle plots are twice the angle in the body).
</p>



<hr />

<table><tr>
<td style='font-family: Helvetica; font-size: 10px; width: 100%'>Created by
 <a href="http://www.wolfram.com"><span style='font-style: italic'>Mathematica</span></a>
 &nbsp;(October 5, 2005)</td>
<td><img src='http://www.w3.org/Icons/valid-xhtml11.gif'
 alt='Valid XHTML 1.1!' height='31' width='88' /></td>
</tr></table>
</body>

</html>
