В механике сжатие — это приложение сбалансированных внутренних («толкающих») сил к различным точкам материала или конструкции , то есть сил без чистой суммы или крутящего момента, направленных так, чтобы уменьшить его размер в одном или нескольких направлениях. [1] Оно противопоставляется растяжению или тяге, приложению сбалансированных внешних («тянущих») сил; и сдвиговым силам, направленным так, чтобы сместить слои материала параллельно друг другу. Прочность материалов и конструкций на сжатие является важным инженерным соображением.
При одноосном сжатии силы направлены только в одном направлении, так что они действуют в направлении уменьшения длины объекта в этом направлении. [2] Силы сжатия могут также быть приложены в нескольких направлениях; например, внутрь вдоль краев пластины или по всей боковой поверхности цилиндра , чтобы уменьшить его площадь ( двуосное сжатие ), или внутрь по всей поверхности тела, чтобы уменьшить его объем .
Технически, материал находится в состоянии сжатия, в некоторой определенной точке и вдоль определенного направления , если нормальная составляющая вектора напряжения по поверхности с нормальным направлением направлена противоположно . Если сам вектор напряжения противоположен , говорят, что материал находится под нормальным сжатием или чистым сжимающим напряжением вдоль . В твердом теле величина сжатия обычно зависит от направления , и материал может находиться под сжатием вдоль некоторых направлений, но под растяжением вдоль других. Если вектор напряжения является чисто сжимающим и имеет одинаковую величину для всех направлений, говорят, что материал находится под изотропным сжатием , гидростатическим сжатием или объемным сжатием . Это единственный тип статического сжатия, который могут выдерживать жидкости и газы . [3] Он влияет на объем материала, который количественно определяется модулем объемной упругости 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, в результате чего возникают области сжатия и разрежения .
При сжатии (или любом другом типе напряжения) каждый материал будет испытывать 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 постоянное одноосное или двухосное сжатие, они будут деформироваться быстро и постоянно и не будут оказывать постоянной силы реакции. Однако они могут выдерживать изотропное сжатие и могут быть сжаты другими способами мгновенно, например, в звуковой волне .
Каждый обычный материал будет сжиматься в объеме при изотропном сжатии, сжиматься в площади поперечного сечения при равномерном двухосном сжатии и сжиматься в длине при одноосном сжатии. Деформация может быть неоднородной и не соответствовать силам сжатия. То, 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 сожмутся. В целом, соотношение между напряжением, приложенным к материалу, и результирующей деформацией является центральной темой механики сплошных сред .
Сжатие твердых тел имеет множество последствий в материаловедении , физике и строительной инженерии , поскольку сжатие приводит к появлению заметных величин напряжения и растяжения .
Вызывая сжатие, можно измерить механические свойства, такие как прочность на сжатие или модуль упругости . [5]
Машины для сжатия варьируются от очень маленьких настольных систем до машин с усилием более 53 МН.
Газы часто хранятся и транспортируются в сильно сжатом виде, чтобы сэкономить место. Слегка сжатый воздух или другие газы также используются для наполнения воздушных шаров , резиновых лодок и других надувных конструкций . Сжатые жидкости используются в гидравлическом оборудовании и при фрекинге .
В двигателях внутреннего сгорания взрывчатая смесь сжимается перед воспламенением; сжатие повышает эффективность двигателя. В цикле Отто , например, второй ход поршня вызывает сжатие заряда, который был втянут в цилиндр первым прямым ходом. [6]
Термин применяется к устройству, с помощью которого выпускной клапан паровой машины закрывается, перекрывая часть отработанного пара в цилиндре , до того, как ход поршня будет полностью завершен. Этот пар сжимается по мере завершения хода, образуется подушка, против которой поршень работает , в то время как его скорость быстро уменьшается, и, таким образом, напряжения в механизме из-за инерции возвратно-поступательных частей уменьшаются. [7] Это сжатие, кроме того, устраняет удар, который в противном случае был бы вызван впуском свежего пара для обратного хода.
