Сжатие (физика)

Одноосное сжатие

В механике направленных сжатие — это приложение сбалансированных внутренних («толкающих») сил к различным точкам материала или конструкции , то есть сил без чистой суммы или крутящего момента, так, чтобы уменьшить его размер в одном или нескольких направлениях. ^[1] Ему противопоставляется напряжение или тяга, приложение сбалансированных внешних («тянущих») сил; и со сдвиговыми силами, направленными так, чтобы смещать слои материала параллельно друг другу. Прочность на сжатие материалов и конструкций является важным инженерным соображением.

При одноосном сжатии силы направлены только в одном направлении, поэтому они действуют на уменьшение длины объекта в этом направлении. ^[2] Сжимающие силы также могут быть приложены в нескольких направлениях; например внутрь по краям пластины или по всей боковой поверхности цилиндра , чтобы уменьшить его площадь ( двухосное сжатие ), или внутрь по всей поверхности тела, чтобы уменьшить его объем .

Технически материал находится в состоянии сжатия в определенной точке и в определенном направлении. $x$ , если нормальная составляющая вектора напряжения на поверхности с нормальным направлением $x$ направлен противоположно $x$ . Если сам вектор напряжений противоположен $x$ Говорят, что материал находится под нормальным сжатием или чистым сжимающим напряжением вдоль $x$ . В твердом теле степень сжатия обычно зависит от направления. $x$ , и материал может сжиматься в одних направлениях, но растягиваться в других. Если вектор напряжения является чисто сжимающим и имеет одинаковую величину для всех направлений, говорят, что материал находится в состоянии изотропного сжатия , гидростатического сжатия или объемного сжатия . Это единственный тип статического сжатия, которое жидкости и газы . могут выдерживать ^[3] Это влияет на объем материала, количественно определяемый модулем объемного сжатия и объемной деформацией .

Обратный процесс сжатия называется декомпрессией , дилатацией или расширением , при котором объект увеличивается или увеличивается в объеме.

В механической волне , которая является продольной , среда смещается в направлении волны, что приводит к появлению областей сжатия и разрежения .

Эффекты

При сжатии (или любом другом типе напряжения) каждый материал испытывает некоторую деформацию , даже если она незаметна, что приводит к изменению среднего относительного положения его атомов и молекул. Деформация может быть постоянной или может быть обращена вспять, когда силы сжатия исчезнут. В последнем случае деформация приводит к возникновению сил реакции, которые противостоят силам сжатия и могут в конечном итоге уравновесить их. ^[4]

Жидкости и газы не могут выдерживать устойчивое одноосное или двухосное сжатие, они быстро и необратимо деформируются и не создают постоянной силы реакции. Однако они могут выдерживать изотропное сжатие и могут мгновенно сжиматься другими способами, например, в звуковой волне .

Любой обычный материал сжимается в объеме при изотропном сжатии, сжимается в площади поперечного сечения при равномерном двухосном сжатии и сжимается в длине при одноосном сжатии. Деформация может быть неоднородной и не соответствовать силам сжатия. Что происходит в направлениях, где нет сжатия, зависит от материала. ^[4] Большинство материалов будут расширяться в этих направлениях, но некоторые специальные материалы останутся неизменными или даже сократятся. В общем, связь между напряжением, приложенным к материалу, и возникающей в результате деформацией является центральной темой механики сплошной среды .

Использование

Сжатие твердых тел имеет множество значений в материаловедении , физике и строительной технике , поскольку сжатие приводит к заметному напряжению и напряжению .

Вызывая сжатие, можно измерить механические свойства, такие как прочность на сжатие или модуль упругости . ^[5]

Компрессионные машины варьируются от очень маленьких настольных систем до систем с мощностью более 53 МН.

Газы часто хранятся и транспортируются в сильно сжатом виде, чтобы сэкономить место. Слегка сжатый воздух или другие газы применяют также для наполнения воздушных шаров , резиновых лодок и других надувных конструкций . Сжатые жидкости используются в гидравлическом оборудовании и при гидроразрыве пласта .

В двигателях

Двигатели внутреннего сгорания

В двигателях внутреннего сгорания взрывчатая смесь сжимается перед воспламенением; компрессия повышает эффективность двигателя. Например, в цикле Отто второй ход поршня вызывает сжатие заряда, который был втянут в цилиндр первым ходом вперед. ^[6]

Паровые двигатели

Этот термин применяется к устройству, с помощью которого выпускной клапан парового двигателя закрывается, перекрывая часть выхлопного пара в цилиндре до того, как ход поршня будет полностью завершен. Этот пар сжимается по мере завершения хода, образуется подушка, против которой работает поршень , в то время как его скорость быстро снижается, и, таким образом, напряжения в механизме из-за инерции возвратно-поступательных частей уменьшаются. ^[7] Более того, это сжатие устраняет удар, который в противном случае был бы вызван поступлением свежего пара для обратного хода.

См. также

Ссылки

^ Фердинанд Пьер Бир, Элвуд Рассел Джонстон, Джон Т. ДеВольф (1992), «Механика материалов». (Книга) McGraw-Hill Professional, ISBN 0-07-112939-1
^ Эркенс, Сандра и Пут, М. Испытание на одноосное сжатие. Делфтский технологический университет. (1998). Номер отчета: 7-98-117-4.
^ Рональд Л. Хьюстон и Гарольд Джозефс (2009), «Практический анализ напряжений в инженерном проектировании». 3-е издание, CRC Press, 634 страницы. ISBN 9781574447132
^ Перейти обратно: ^а ^б Фунг, ЮК (1977). Первый курс механики сплошных сред (2-е изд.). ISBN Prentice-Hall, Inc. 978-0-13-318311-5.
^ Харцуйкер, К.; Веллеман, Дж. В. (2001). Инженерная механика. Том 2. Спрингер. ISBN 978-1-4020-412
^ Хейвуд, Джон (01 мая 2018 г.). Основы двигателя внутреннего сгорания 2E . МакГроу Хилл Профессионал. ISBN 978-1-260-11611-3 .
^ Уайзер, Венделл Х. (2000). Энергетические ресурсы: возникновение, добыча, преобразование, использование . Биркхойзер. п. 190. ИСБН 978-0-387-98744-6 .

[Beer-1] Фердинанд Пьер Бир, Элвуд Рассел Джонстон, Джон Т. ДеВольф (1992), «Механика материалов». (Книга) McGraw-Hill Professional, ISBN 0-07-112939-1

[2] Эркенс, Сандра и Пут, М. Испытание на одноосное сжатие. Делфтский технологический университет. (1998). Номер отчета: 7-98-117-4.

[3] Рональд Л. Хьюстон и Гарольд Джозефс (2009), «Практический анализ напряжений в инженерном проектировании». 3-е издание, CRC Press, 634 страницы. ISBN 9781574447132

[ONE-4] Перейти обратно: ^а ^б Фунг, ЮК (1977). Первый курс механики сплошных сред (2-е изд.). ISBN Prentice-Hall, Inc. 978-0-13-318311-5.

[5] Харцуйкер, К.; Веллеман, Дж. В. (2001). Инженерная механика. Том 2. Спрингер. ISBN 978-1-4020-412

[6] Хейвуд, Джон (01 мая 2018 г.). Основы двигателя внутреннего сгорания 2E . МакГроу Хилл Профессионал. ISBN 978-1-260-11611-3 .

[Wiser-7] Уайзер, Венделл Х. (2000). Энергетические ресурсы: возникновение, добыча, преобразование, использование . Биркхойзер. п. 190. ИСБН 978-0-387-98744-6 .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]