виды деформации, пределы упругости и прочности

Частицы, из которых состоят твердые тела (как аморфные, так и кристаллические) постоянно совершают тепловые колебания около положений равновесия. В таких положениях энергия их взаимодействия минимальная. Если расстояние между частицами уменьшается, начинают действовать силы отталкивания, а если увеличиваться – то силы притяжения. Именно этими двумя силами обусловлены все механические свойства, которыми обладают твердые тела.

Определение 1

Если твердое тело изменяется под воздействием внешних сил, то частицы, из которых оно состоит, меняют свое внутреннее положение. Такое изменение называется деформацией.

Виды деформации

Различают деформации нескольких видов. На изображении показаны некоторые из них.

Рисунок 3.7.1. Некоторые виды деформаций твердых тел: 1 – деформация растяжения; 2 – деформация сдвига; 3 – деформация всестороннего сжатия.

Первый вид – растяжение или сжатие – является наиболее простым видом деформации. В таком случае изменения, происходящие с телом, можно описать при помощи абсолютного удлинения Δl, которое происходит под действием сил, обозначаемых F→. Взаимосвязь, существующая между силами и удлинением, обусловлена геометрическими размерами тела (в первую очередь толщиной и длиной), а также механическими свойствами вещества.

Определение 2

Если мы разделим величину абсолютного удлинения на первоначальную длину твердого тела, мы получим величину его относительного удлинения (относительной деформации).

Обозначим этот показатель ε и запишем следующую формулу:

ε=∆ll.

Определение 3

Относительная деформация тела растет при его растяжении и соответственно уменьшается при сжатии.

Если учесть, в каком именно направлении внешняя сила действует на тело, то мы можем записать, что F будет больше нуля при растяжении и меньше нуля при сжатии.

Механическое напряжение

Определение 4

Механическое напряжение твердого тела σ – это показатель, равный отношению модуля внешней силы к площади сечения твердого тела.

σ=FS.

Величину механического напряжения принято выражать в паскалях (Па) и измерять в единицах давления.

Важно понимать, как именно механическое напряжение и относительная деформация связаны между собой. Если отобразить их взаимоотношения графически, мы получим так называемую диаграмму растяжения. При этом нам н

Пластическая деформация — это… Что такое Пластическая деформация?

Диаграмма, показывающая зависимость между силой приложенного усилия и деформацией пластичного металла.

Деформа́ция (от лат. deformatio — искажение) — изменение относительного положения частиц тела, связанное с их перемещением. Деформация представляет собой результат изменения межатомных расстояний и перегруппировки блоков атомов. Обычно

деформация сопровождается изменением величин межатомных сил, мерой которого является упругое напряжение.

Деформации разделяют на упругие и пластические. Упругие деформации исчезают^[1], а пластические остаются после окончания действия приложенных сил. В основе упругих деформаций лежат обратимые смещения атомов металлов от положения равновесия; в основе пластических — необратимые перемещения атомов на значительные расстояния от исходных положений равновесия.

Способность веществ пластически деформироваться называется пластичностью. При пластическом деформировании металла одновременно с изменением формы меняется ряд свойств, в частности, при холодном деформировании повышается прочность.

Виды деформации

Наиболее простые виды деформации тела в целом:

В большинстве случаев наблюдаемая деформация представляет собой несколько деформаций одновременно. В конечном счёте, однако, любую

деформацию можно свести к 2 наиболее простым:

Изучение деформации

Деформация тела вполне определяется, если известен вектор перемещения каждой его точки. Деформация твёрдых тел в связи со структурными особенностями последних изучается физикой твёрдого тела, а движения и напряжения в деформируемых твёрдых телах — теорией упругости и пластичности. У жидкостей и газов, частицы которых легкоподвижны, исследование деформации заменяется изучением мгновенного распределения скоростей.

Причины возникновения деформации твёрдых тел

Деформация твёрдого тела может явиться следствием фазовых превращений, связанных с изменением объёма, теплового расширения, намагничивания (магнитострикционный эффект), появления электрического заряда (пьезоэлектрический эффект) или же результатом действия внешних сил.

Упругая и пластическая деформация

Деформация называется упругой, если она исчезает после удаления вызвавшей её нагрузки, и пластической, если после снятия нагрузки она не исчезает (во всяком случае полностью). Все реальные твёрдые тела при

деформации в большей или меньшей мере обладают пластическими свойствами. При некоторых условиях пластическими свойствами тел можно пренебречь, как это и делается в теории упругости. Твёрдое тело с достаточной точностью можно считать упругим, то есть не обнаруживающим заметных пластических деформаций, пока нагрузка не превысит некоторого предела.

Природа пластической деформации может быть различной в зависимости от температуры, продолжительности действия нагрузки или скорости деформации. При неизменной приложенной к телу нагрузке деформация изменяется со временем; это явление называется ползучестью. С возрастанием температуры скорость ползучести увеличивается. Частными случаями ползучести являются релаксация и последействие упругое. Одной из теорий, объясняющих механизм пластической деформации, является теория дислокаций в кристаллах.

Сплошность

В теории упругости и пластичности тела рассматриваются как «сплошные». Сплошность, то есть способность заполнять весь объём, занимаемый материалом тела без всяких пустот является одним из основных свойств, приписываемых реальным телам. Понятие сплошности относится также к элементарным объёмам, на которые можно мысленно разбить тело. Изменение расстояния между центрами каждых двух смежных бесконечно малых объёмов у тела, не испытывающего разрывов, должно быть малым по сравнению с исходной величиной этого расстояния.

Простейшая элементарная деформация

Простейшей элементарной деформацией является относительное удлинение некоторого элемента:

где

• l₁ — длина элемента после деформации;
• l — первоначальная длина этого элемента.

На практике чаще встречаются малые деформации, так что e << 1.

Измерение деформации

Измерение деформации производится либо в процессе испытания материалов с целью определения их механических свойств, либо при исследовании сооружения в натуре или на моделях для суждения о величинах напряжений. Упругие деформации весьма малы, и измерение их требует высокой точности. Наиболее распространённый метод исследования деформации — с помощью тензометров. Кроме того, широко применяются тензодатчики сопротивления, поляризационно-оптический метод исследования напряжения, рентгеновский структурный анализ. Для суждения о местных пластических деформациях применяют накатку на поверхности изделия сетки, покрытие поверхности легко растрескивающимся лаком и т. д.

Примечания

1. ↑ Теоретически упругие деформации исчезают, но практически они частично остаются и накапливаются.

Литература

• Работнов Ю. Н., Сопротивление материалов, М., 1950;
• Кузнецов В. Д., Физика твердого тела, т. 2-4, 2 изд., Томск, 1941-47;
• Седов Л. И., Введение в механику сплошной среды, М., 1962.

Wikimedia Foundation. 2010.

Причины возникновения напряжений и деформаций – Осварке.Нет

Одним из свойств металла является изменение размера под воздействием температур. Под воздействием высокой температуры металл расширяется. Как сильно он расшириться зависит от температуры нагрева и коэффициента линейного расширения материала.

Деформации и напряжения могут быть вызваны не только воздействием внешних сил. Существуют так званые собственные напряжения и деформации, которые присутствуют в металле даже без воздействия на него. Собственные напряжения могут быть реактивными и остаточными. Остаточные напряжения появляются в результате местной пластичной деформации и остаются у изделия после сварки. Реактивными называют напряжения возникшие во время сварки жестко закрепленной конструкции.

Классификация напряжений и деформаций

В зависимости от причины возникновения собственные напряжения разделяют на:

• тепловые напряжения — появляются в следствии неравномерного распределения температуры во время сварки;
• структурные напряжения — появляются в следствии преобразования структуры во время нагревания выше критической температуры.

В зависимости от времени существования собственные напряжения бывают:

• временные — существуют при определенных фазовых преобразованиях и исчезают при охлаждении;
• остаточные — остаются даже после исчезновения причин их образования.

Зависимо от площади действия различают три вида напряжений:

• напряжения которые действуют в объемах конструкции;
• напряжения которые действуют в рамках зерен металла;
• напряжения которые существуют в кристаллической решетке металла.

По направлению действия напряжения и деформации бывают:

• продольные — вдоль оси сварочного шва;
• поперечные — направленны перпендикулярно оси шва.

По виду напряженного состояния напряжения бывают:

• линейные — действуют в одном направлении;
• плоскостные — действуют в двух направлениях;
• объемные — действуют в трех направлениях.

Напряжения также могут быть сдавливающими и растягивающими.

Деформацию называют общей если она изменяет размер всего изделия, и местной — если она изменяет часть изделия.

Деформации могут быть пластичными и упругими. Если конструкция восстанавливает свою форму и размер после сварки, то такая деформация называется упругой, а если не восстанавливается — пластичной.

Во время выполнения сварки конструкций возникают напряжения и деформации. Напряжение которое превышает границы текучести метала приводит к появлению пластических деформаций, которые изменяют размеры и форму конструкции. Напряжения превышающие границу прочности приводит к появлению в трещин.

Причины появления напряжений и деформаций

Структурные преобразования

При сварке легированных и высокоуглеродистых сталей часто возникают структурные преобразования в металле — меняются размеры и расположение зерен металла при охлаждении. Поэтому меняется первоначальный объем металла и возникают внутренние напряжения.

Неравномерное нагревание

Рис. Неравномерный нагрев металла

При нагревании металла жестко связанного с холодным металлом образовываются сдавливающие и растягивающие напряжения. Это связано с изменением размеров размеров металла при нагревании.

Литейная усадка

Литейная усадка расплавленного металла сопровождается уменьшением объема металла при его кристаллизации. Так как расплавленный металл связан с основным в под воздействием литейной усадки возникают продольные и поперечные напряжения.

Рис. Деформации от поперечной усадки

Рис. Деформации от продольной усадки

 

Методы противодействия напряжениям и деформациям

Предварительный и сопроводительный подогрев

Предварительный и сопроводительный подогрев сталей улучшает механические качества шва и прилегающей зоны, уменьшает пластические деформации и остаточные напряжения. Используют для сталей склонных к закалке и образованию кристаллизационных трещин.

Обратно ступенчатый порядок наложения швов

Рис. Обратно ступенчатый порядок наложения швов

Длинные швы (свыше 1000 мм) разбиваются на участки по 100-150 мм и каждый из них ведется в направлении обратном направлению сварки. Используя обратно ступенчатый порядок наложения швов можно добиться более равномерного нагревания металла в сравнении с последовательным наложением. Равномерное нагревание металла значительно уменьшает деформации.

Проковка швов

Проковывать можно как нагретый так и холодный металл. При ударе металл разжимается в разные стороны, что уменьшает растягивающие напряжения. Сварочные швы на металле склонному к образованию закалочных структур не проковывают.

Уравновешивание деформаций

Способ заключается в выборе такого порядка наложения швов при котором каждый следующий шов создает деформацию противодействующую предыдущему. Например, поочередное наложение слоев при сварке двусторонних соединений.

Создание обратных деформаций

Детали собирают под сварку изначально под определенным углом. Когда во время сварки детали сближаются друг к другу деформация уменьшается.

Жесткое крепление деталей

Для этого используют жесткое закрепление деталей в кондукторах. Детали находятся закрепленными все время сварки, вынимают их после охлаждения. Недостатком является возможность возникновения внутренних напряжений.

Термическая обработка

Термическая обработка хорошо влияет на свойства шва и околошовной зоны, снижает внутренние напряжения и выравнивают структуру шва.

признаки и причины её появления, последствия деформации

Большинство из нас основную часть жизни проводит на своём рабочем месте и волей-неволей мы начинаем переносить какие-либо профессиональные привычки в личную жизнь. Именно по этим признакам можно определить, в какой области трудится тот или иной человек. Например, знакомый, который постоянно пытается решить ваши личные проблемы, скорее всего, покажется вам психологом, а встретив на своём пути человека, дающего вам указания что и как делать, вы наверняка подумаете — это учитель. Каковы причины профессиональной деформации личности? Какие выделяются ее виды? Можно ли как-то избежать деформации?

Что такое профессиональная деформация личности?

Деформация личности представляет собой изменение личностных качеств (способов поведения и общения, характера, ценностных ориентиров, стереотипов восприятия), наступающее под влиянием продолжительного исполнения профессиональных обязанностей.

Профессиональный тип личности формируется в результате неразрывного единства специфической деятельности и сознания человека. Больше всего от такой деформации страдают личностные особенности людей, чья деятельность связана с постоянным общением (психологи, педагоги, работники кадровых отделов, руководители, чиновники и т. д.).

Деформация в крайней форме у них выражена в сугубо функциональном, формальном отношении к окружающим. Повышенный уровень деформации личности наблюдается у сотрудников спецслужб, военнослужащих и медицинских работников.

Причины профессиональной деформации

Многолетняя деятельность в той или иной сфере сопровождается профессиональным развитием личности, однако, этот процесс не может быть непрерывным. Рано или поздно наступает период стабилизации, когда человек уже практически никуда не движется. Поначалу такие приостановки краткосрочны, но затем они становятся всё продолжительнее, достигая 12 месяцев и более. На языке психологов такое явление носит название периодов стагнации личности.

Наступление стагнации возможно даже в том случае, если уровень вашей профессиональной деятельности довольно высок, но ваша работа выполняется однообразно, с применением повторяющихся приёмов. Результатом продолжительной стагнации является профессиональная деформация личности: человек уже не в состоянии выбраться из своей профессии и вынужден исполнять в социуме только эту роль.

Выделяют следующие факторы, способствующие развитию профессиональной деформации:

• Молодой специалист возлагает на свою профессию слишком много надежд, которые в конечном счёте не соответствуют действительности.
• Акцентирование внимания на мотивацию выбора профессии. Это может быть стремление добиться власти, определённого социального статуса или желание доказать свою значимость.
• Однообразные действия и функции, приводящие человека к психологическим ограничениям: например, если он попадёт в новые рабочие условия, приспособиться к ним ему будет довольно тяжело.

Вышеперечисленные факторы представляют собой лишь предпосылки, которые на том или ином этапе трудовой деятельности могут привести к деформации. Среди основных причин развития профессиональной деформации необходимо отметить следующие:

• постоянные стрессы;
• профессиональная усталость, накопившаяся за многолетнюю трудовую деятельность;
• постоянная стереотипная работа;
• отсутствие желания продолжения работы в этой сфере: одни понимают ошибочность выбора профессии практически сразу после начала трудовой деятельности, другим же для этого требуются годы.
• непонимание целей выполняемой работы;
• возрастные изменения: в молодом возрасте человеку казалось, что эта профессия ему подходит, однако, с возрастом он начинает выполнять свои рабочие обязанности автоматически;
• излишняя самоуверенность;
• чрезмерная служебная нагрузка;
• повышенный уровень утомляемости, нервозности;
• несоответствующая дисциплина на рабочем месте;
• отсутствие возможности дальнейшего профессионально роста, повышения квалификации, обучения;
• ограничение условий для самовыражения, когда любые инновационные предложения и творческий подход к выполнению трудовых обязанностей отвергаются без обсуждения;
• конфликты и напряжённые отношения в коллективе;
• посвящение всего себя только работе при полном отсутствии признания ваших заслуг коллегами.

Причины профессиональной деформации личности могут быть и другими. Ведь каждый человек индивидуален.

Виды профессиональной деформации личности

Различают несколько типов переноса профессиональных знаний, привычек и навыков в повседневную жизнь. Изменения личности условно можно разделить на следующие виды:

• общепрофессиональные;
• профессионально-топологические;
• индивидуальные;
• специальные.

Общепрофессиональный. Изменение личности такого типа характерно для работников определённых профессий. Например, у сотрудников полиции деформации личности проявляются синдромом асоциальной перпеции, развитие которого способствует восприятию любого гражданина как потенциального нарушителя.

У педагогов деформация проявляется синдромом назидательности (постоянное стремление воспитывать, поучать). У руководителей наблюдается синдром вседозволенности (нарушение этических и профессиональных норм).

Профессионально-типологические деформации обусловлены постепенным наложением определённых психологических особенностей на личностные качества. Например, способность к организации деятельности большого количества людей. К такому типу изменений можно отнести деформации личности руководителя, начальника.

Индивидуальные деформации присущи работникам различных профессий и зачастую бывают обусловлены чересчур обширным и активным развитием профессиональных навыков и качеств, которые приводят к появлению трудового фанатизма, а также усиленного чувства ответственности вплоть до одержимости.

Результатом всех видов профессиональной деформации являются следующие состояния психики:

• Снижение результативности трудовой деятельности;
• кризисы, конфликты, психологическая напряжённость;
• неудовлетворённость социальным окружением и жизнью в целом.

Чем больше стаж работы, тем сильнее проявляется синдром эмоционального сгорания, в результате этого появляется чувство тревоги, усталость и нравственное истощение. Наблюдаются изменения эмоциональной сферы личности. Психологический дискомфорт приводит к снижению удовлетворённости от трудовой деятельности и провоцирует развитие различных заболеваний.

Таким образом, можно сделать вывод, что профессиональная деятельность оказывает огромное влияние на психику человека и способствует развитию личностных изменений, деструктивно влияющих на профессиональное поведение и трудовую деятельность.

Профессиональная деформация личности относится к одному из видов профзаболеваний, появление которых неизбежно, но одних она приводит к беспочвенной агрессивности и завышению самооценки, других — к равнодушию, а третьи при этом теряют квалификацию.

Однако, большинство людей, имеющих такие проблемы стараются найти средства профессиональной реабилитации.

Как определить приближение профессиональной деформации?

Приближение деформирующих изменений психики, связанных с трудовой деятельностью можно определить по следующим факторам:

• Вы боитесь потерять общение с коллегами, профессию, работу.
• Все ваши разговоры в итоге сводятся к обсуждению рабочих вопросов.
• Ваши родные и близкие считают, что с вами сложно иметь дело.
• Вы ассоциируете свой успех только лишь с профессиональной деятельностью.
• Ваш круг общения ограничен только сослуживцами.
• Вы не позволяете себе и коллегам проявлять эмоции, и высказывать переживания на рабочем месте.
• Вам нередко говорят, что разговор с вами напоминает общение с врачом (юристом, следователем, учителем и т. д.), так как в обычной жизни вы начинаете общаться на профессиональном языке.
• Ваши интересы ограничены только профессиональной деятельностью.
• Вы относитесь к знакомым как к объектам вашей профессии.

Как проявляется профессиональная деформация?

Каждая профессия накладывает определённый отпечаток на характер и личностные качества работающего человека.

Педагог. Деформация личности учителя заключается в искусственном поиске ошибок в работах учеников, постоянных придирках. Даже находясь дома, педагог продолжает оценивать поведение родственников, членов семьи, знакомых, выставляя при этом каждому из них оценки (мысленно либо вслух). Доходит даже до абсурда, когда представитель этой профессии начинает давать оценку действиям совершенно посторонних людей, встретившихся ему на улице: оценивает допустимость их поведения, высказывает возмущение по поводу отсутствия воспитания.

Врач. Деформация медицинского работника проявляется в полном автоматизме его навыков и качеств. Врач автоматически оценивает здоровье человека даже при простом рукопожатии: он моментально отмечает температуру, пульс, влажность ладони. Обращает внимание на внешний вид человека и пытается найти связь с каким-либо заболеванием, при этом советуя собеседнику посетить клинику и пройти обследование (что-то ты плохо выглядишь, под глазами у тебя мешки и т. д.).

Менеджер турфирмы. У таких людей деформация проявляется в том, что при любом рассказе о совершённом путешествии или планируемой поездке, представитель этой профессии оживляется и проявляет чисто профессиональную заинтересованность, задавая соответствующие вопросы и давая рекомендации на тему туризма.

Подобным образом деформация проявляется и у представителей других профессий. Программист будет пытаться вывести определённые алгоритмы происходящих процессов (даже самых простых). Психолог будет стремиться вывести собеседника на откровенный разговор, чтобы покопаться в его психологических проблемах и постараться их решить (даже если собеседник в этом не нуждается).

Последствия профессиональной деформации

Последствия профессиональных изменений бывают различными: одни могут быть полезны для работника, другие же, наоборот, оказывают негативное влияние на черты характера и личностные качества человека.

Польза. В некоторых случаях деформация действительно может быть полезной. Например, медицинский работник, оказавшись поблизости с местом происшествия, знает как оказать пострадавшему экстренную помощь. Руководитель предприятия (фирмы, холдинга и пр.) способен квалифицированно подойти к организации какого-либо семейного торжества. Однако, следует помнить о разграничении работы и повседневно жизни и проявлять профессиональные качества только в случае необходимости и на короткий срок.

Среди негативных последствий деформации можно отметить следующие:

• Управленческая эрозия. Под воздействием деформирующих изменений деятельность руководителя становится неэффективной, а сам он превращается в тирана.
• Чувство административной значимости. Работник, получив даже самую мало-мальскую должность, начинает мнить себя большим начальником и смотреть на окружающих свысока.
• Снижение уровня адаптивности. Человек уверен, что знает о своей профессии практически всё и прекращает поиски чего-либо нового, неизвестного.
• Эмоциональное выгорание. Работа полностью поглощает человека, разрушая его защитный психологический барьер. В результате чего работник сгорает и не теряет смысл жизни.
• Ухудшение отношений с окружающими людьми — шаблоны рабочих взаимоотношений переносятся на повседневную жизнь.

Во избежание таких последствий деформации, необходимо постараться вовремя заметить её признаки и приступить к их устранению.

Профессиональная деформация личности сопровождается конфликтами, состоянием постоянного напряжения, кризисами, психологическим дискомфортом. Результативное и своевременное разрешение возникших профессиональных трудностей позволит каждому из вас и в дальнейшем развиваться как в профессиональном, так и в личностном плане. Помимо этого, не допустив проявления деформации, вы сможете избавиться от профессионального выгорания на рабочем месте.

Профессиональная реабилитация

Существует несколько возможных вариантов реабилитации, среди которых можно выделить следующие:

• прохождение тренингов квалификационного и личностного роста;
• повышение уровня аутокомпетентности и социально-психологической компетентности;
• прохождение курсов повышения квалификации и перевод на новую должность;
• диагностика профессиональных изменений личности и разработка индивидуальных схем их исправления;
• изучение способов и приёмов самокоррекции профессиональных изменений и саморегуляции эмоционально-волевых качеств;
• профилактические меры по профессиональной дезадаптации неопытного специалиста;
• разработка альтернативных методов дальнейшего профессионального и личностного роста.

растяжение, сжатие, кручение, сдвиг, изгиб

 О чем эта статья

Не вдаваясь в теоретические основы физики процессом деформации твердого тела можно назвать изменение его формы под действием внешней нагрузки. Любой твердый материал имеет кристаллическую структуру с определенным расположением атомов и частиц, в ходе приложения нагрузки происходит смещение отдельных элементов или целых слоев относительно, другими словами возникают дефекты материалов.

Виды деформации твердых тел

Деформация растяжения

Деформация растяжения — вид деформации, при которой нагрузка прикладывается продольно от тела, то есть соосно или параллельно точкам крепления тела. Проще всего растяжение рассмотреть на буксировочном тросе для автомобилей. Трос имеет две точки крепления к буксиру и буксируемому объекту, по мере начала движения трос выпрямляется и начинает тянуть буксируемый объект. В натянутом состоянии трос подвергается деформации растяжения, если нагрузка меньше предельных значений, которые может он выдержать, то после снятия нагрузки трос восстановит свою форму.

Схема растяжения образца

Посмотрите прибор измеряющий деформацию растяжения →

Деформация растяжения является одним из основных лабораторных исследований физических свойств материалов. В ходе приложения растягивающих напряжений определяются величины, при которых материал способен:

1. воспринимать нагрузки с дальнейшим восстановлением первоначального состояния (упругая деформация)
2. воспринимать нагрузки без восстановления первоначального состояния (пластическая деформация)
3. разрушаться на пределе прочности

Данные испытания являются главными для всех тросов и веревок, которые используются для строповки, крепления грузов, альпинизма. Растяжение имеет значение также при строительстве сложных подвесных систем со свободными рабочими элементами.

Деформация сжатия

Деформация сжатия — вид деформации, аналогичный растяжению, с одним отличием в способе приложения нагрузки, ее прикладывают соосно, но по направлению к телу. Сдавливание объекта с двух сторон приводит к уменьшению его длины и одновременному упрочнению, приложение больших нагрузок образовывает в теле материала утолщения типа «бочка».

Схема сжатия образца

В качестве примера можно привести тот же прибор что и в деформации растяжения немного выше.

Деформация сжатия широко используется в металлургических процессах ковки металла, в ходе процесса металл получает повышенную прочность и заваривает дефекты структуры. Сжатие также важно при строительстве зданий, все элементы конструкции фундамента, свай и стен испытывают давящие нагрузки. Правильный расчет несущих конструкций здания позволяет сократить расход материалов без потери прочности.

Деформация сдвига

Деформация сдвига — вид деформации, при котором нагрузка прикладывается параллельно основанию тела. В ходе деформации сдвига одна плоскость тела смещается в пространстве относительно другой. На предельные нагрузки сдвига испытываются все крепежные элементы — болты, шурупы, гвозди. Простейший пример деформации сдвига – расшатанный стул, где за основание можно принять пол, а за плоскость приложения нагрузки – сидение.

Схема сдвига образца

Посмотрите прибор измеряющий деформацию сдвига →

Деформация изгиба

Деформация изгиба — вид деформации, при котором нарушается прямолинейность главной оси тела. Деформации изгиба испытывают все тела подвешенные на одной или нескольких опорах. Каждый материал способен воспринимать определенный уровень нагрузки, твердые тела в большинстве случаев способны выдерживать не только свой вес, но и заданную нагрузку. В зависимости от способа приложения нагрузки при изгибе различают чистый и косой изгиб.

Схема изгиба образца

Посмотрите прибор измеряющий деформацию изгиба →

Значение деформации изгиба важно для проектирования упругих тел, таких, как мост с опорами, гимнастический брус, турник, ось автомобиля и другие.

Деформация кручения

Деформация кручения – вид деформации, при котором к телу приложен крутящий момент, вызванный парой сил, действующих в перпендикулярной плоскости оси тела. На кручение работают валы машин, шнеки буровых установок и пружины.

Схема кручения образца

Посмотрите прибор измеряющий деформацию кручения →

Пластическая и упругая деформация

В процессе деформации важное значение имеет величина межатомных связей, приложение нагрузки достаточной для их разыва приводит к необратимым последствиям (необратимая или пластическая деформация). Если нагрузка не превысила допустимых значений, то тело может вернуться в исходное состояние (упругая деформация). Простейший пример поведения предметов, подверженных пластической и упругой деформацией, можно проследить на падении с высоты резинового мяча и куска пластилина. Резиновый мяч обладает упругостью, поэтому при падении он сожмется, а после превращения энергии движения в тепловую и потенциальную, снова примет первоначальную форму. Пластилин обладает большой пластичностью, поэтому при ударе о поверхность оно необратимо утратит свою первоначальную форму.

За счет наличия деформационных способностей все известные материалы обладают набором полезных свойств – пластичностью, хрупкостью, упругостью, прочностью и другими. Исследование этих свойств достаточно важная задача, позволяющая выбрать или изготовить необходимый материал. Кроме того, само по себе наличие деформации и его детектирование часто бывает необходимо для задач приборостроения, для этого применяются специальные датчики называемые экстензометрами или по другому тензометрами.

Опубликована 12-04-12.

Если вам понравилась статья нажмите на одну из кнопок ниже

ДЕФОРМАЦИЯ | Энциклопедия Кругосвет

ДЕФОРМАЦИЯ – изменение размеров, формы и конфигурации тела в результате действия внешних или внутренних сил (от лат. deformatio – искажение).

Твердые тела способны в течение длительного времени сохранять неизменной свою форму и объем, в отличие от жидких и газообразных. Это известное утверждение справедливо только «в первом приближении» и нуждается в уточнениях. Во-первых, многие тела, которые принято считать твердыми, с течением времени очень медленно «текут»: известен случай, когда гранитная плита (часть стенки) за несколько сот лет, вследствие осадки почвы, заметно изогнулась, следуя новому микрорельефу, причем без трещин и изломов (рис. 1). Было подсчитано, что характерная скорость перемещения при этом составляла 0,8 мм в год. Второе уточнение состоит в том, что все твердые тела изменяют свою форму и размеры, если на них действуют внешние нагрузки. Эти изменения формы и размеров называют деформациями твердого тела, причем деформации могут быть большими (например, при растяжении резинового шнура или при изгибе стальной линейки) или малыми, незаметными для глаза (например, деформации гранитного постамента при установке памятника).

С точки зрения внутреннего строения многие твердые тела являются поликристаллическими, т.е. состоят из мелких зерен, каждое из которых является кристаллом, имеющим решетку определенного типа. Стекловидные материалы и многие пластмассы не имеют кристаллической структуры, но их молекулы очень тесно связаны между собой и это обеспечивает сохранение формы и размеров тела.

Если на твердое тело действуют внешние силы (например, стержень растягивается двумя силами, рис. 2), то расстояния между атомами вещества увеличиваются, и с помощью приборов можно обнаружить увеличение длины стержня. Если нагрузки убрать, стержень восстанавливает прежнюю длину. Такие деформации называются упругими, они не превышают долей процента. При возрастании растягивающих сил может быть два исхода опыта: образцы из стекла, бетона, мрамора и т.д. разрушаются при наличии упругих деформаций (такие тела называются хрупкими). В образцах из стали, меди, алюминия наряду с упругими появятся пластические деформации, которые связаны с проскальзыванием (сдвигом) одних частиц материала относительно других. Величина пластических деформаций обычно составляет несколько процентов. Особое место среди деформируемых твердых тел занимают эластомеры – каучукоподобные вещества, допускающие огромные деформации: резиновую полоску можно вытянуть в 10 раз, без разрывов и повреждений, а после разгрузки первоначальный размер восстанавливается практически мгновенно. Деформация такого типа называется высокоэластической и связана с тем, что материал состоит из очень длинных полимерных молекул, свернутых в виде спиралей («винтовых лестниц») или гармошек, причем соседние молекулы образуют упорядоченную систему. Длинные многократно изогнутые молекулы способны распрямляться за счет гибкости атомных цепочек; при этом расстояния между атомами не меняются, и малые силы достаточны для получения больших деформаций за счет частичного распрямления молекул.

Тела деформируются под действием приложенных к ним сил, под влиянием изменения температуры, влажности, химических реакций, облучения нейтронами. Проще всего понять деформацию под действием сил – часто их называют нагрузками: балка, закрепленная по концам на опорах и нагруженная в середине, изгибается – деформация изгиба; при просверливании отверстия сверло испытывает деформацию кручения; когда мяч накачивают воздухом, он сохраняет шаровую форму, но увеличивается в размерах. Земной шар деформируется, когда по его поверхностному слою идет приливная волна. Даже эти простые примеры показывают, что деформации тел могут быть очень различными. Обычно детали конструкций в нормальных условиях испытывают малые деформации, при которых и форма их почти не изменяется. Наоборот, при обработке давлением – при штамповке или прокатке – происходят большие деформации, в результате которых форма тела существенно изменяется; например, из цилиндрической заготовки получается стакан или даже деталь очень сложной формы (при этом заготовку часто нагревают, что облегчает процесс деформирования).

Самым простым для понимания и математического анализа является деформирование тела при малых деформациях. Как это принято в механике, рассматривается некоторая произвольно выбранная точка М тела.

Перед началом процесса деформирования мысленно выделяется малая окрестность этой точки, имеющая простую форму, удобную для изучения, например, шар радиуса DR или куб со стороной Da, причем так, чтобы точка M оказалась центром этих тел.

Несмотря на то, что тела различной формы под влиянием внешних нагрузок и других причин получают весьма разнообразные деформации, оказывается, что малая окрестность любой точки деформируется по одному и тому же правилу (закону): если малая окрестность точки M имела форму шара, то после деформации она становится эллипсоидом; аналогично, куб становится косым параллелепипедом (обычно говорят, что шар переходит в эллипсоид, а куб – в косой параллелепипед). Именно это обстоятельство одинаково во всех точках: эллипсоиды в разных точках, конечно, получаются разными и по-разному повернутыми. То же касается и параллелепипедов.

Если в недеформированной сфере мысленно выделить радиальное волокно, т.е. материальные частицы, расположенные на некотором радиусе, и проследить за этим волокном в процессе деформирования, то обнаруживается, что это волокно все время остается прямым, но изменяет свою длину – удлиняется или укорачивается. Важную информацию можно получить следующим образом: в недеформированной сфере выделяются два волокна, угол между которыми – прямой. После деформации угол, вообще говоря, станет отличным от прямого. Изменение прямого угла называется сдвиговой деформацией или сдвигом. Суть этого явления удобнее рассмотреть на примере кубической окрестности, при деформации которой квадратная грань переходит в параллелограмм – этим объясняется название сдвиговой деформации.

Можно сказать, что деформация окрестности точки M известна полностью, если для любого радиального волокна, выбранного до деформации, можно найти его новую длину, и для двух любых таких взаимно перпендикулярных волокон – угол между ними после деформации.

Отсюда следует вывод, что деформация окрестности известна, если известны удлинения всех волокон и все возможные сдвиги, т.е. требуется бесконечно большое количество данных. На самом деле деформация частицы происходит очень упорядоченно – ведь шар переходит в эллипсоид (а не разлетается на кусочки и не превращается в нить, которая завязывается узлами). Эта упорядоченность выражается математически теоремой, суть которой состоит в том, что удлинения любого волокна и сдвиг для любой пары волокон можно вычислить (причем довольно просто), если известны удлинения трех взаимно перпендикулярных волокон и сдвиги – изменения углов между ними. И конечно, суть дела совершенно не зависит от того, какая форма выбрана для частицы – шаровая, кубическая или какая-нибудь еще.

Для более конкретного и более строгого описания картины деформации вводится система координат (например, декартовых) OXYZ, выбирается в теле некоторая точка M и ее окрестность в виде куба с вершиной в точке M, ребра которого параллельны осям координат. Относительное удлинение ребра, параллельного оси OX, –exx (В этом обозначении индекс x повторен дважды: так принято обозначать элементы матриц).

Если рассматриваемое ребро куба имело длину a, то после деформации его длина изменится на величину удлинения Da_x, при этом относительное удлинение, введенное выше, выразится как

exx = Da_x/ a

Аналогичный смысл имеют величины eyy и ezz.

Для сдвигов принимаются следующие обозначения: изменение первоначально прямого угла между ребрами куба, параллельными осями OX и OY, обозначается как 2exy = 2eyx (здесь коэффициент «2» вводится для удобства в дальнейшем, как если бы диаметр некой окружности обозначался 2r).

Таким образом, введено 6 величин, а именно три деформации удлинения:

exx eyy ezz

и три деформации сдвига:

e yx = e xy e zy = e yz e zx = e xz

Эти 6 величин называют компонентами деформации, при этом в это определение вкладывается тот смысл, что через них выражается любая деформация удлинения и сдвига в окрестности данной точки (часто говорят сокращенно – просто «деформация в точке»).

Компоненты деформации можно записать в виде симметричной матрицы

Эта матрица называется тензором малых деформаций, записанным в системе координат OXYZ. В другой системе координат с тем же началом этот же тензор будет выражаться другой матрицей, с компонентами

Оси координат новой системы составляют с осями координат старой системы набор углов, косинусы которых удобно обозначить так, как это сделано в следующей таблице:

Тогда выражение компонент тензора деформации в новых осях (т.е. e´_xx,…, e´_xy,…) через компоненты тензора деформаций в старых осях, т.е. через exx,…, exy,…, имеют вид:

Эти формулы, по существу, являются определением тензора в следующем смысле: если некоторый объект описывается в системе OXYZ матрицей eij, а в другой системе OX´Y´Z´ – другой матрицей eij´, то он называется тензором, если имеют место приведенные выше формулы, которые называются формулами преобразования компонент тензора второго ранга к новой системе координат. Здесь, для краткости, матрица обозначена символом eij, где индексы i, j соответствуют любому попарному сочетанию индексов x, y, z; существенно, что индексов обязательно два. Число индексов называется рангом тензора (или его валентностью). В этом смысле вектор оказывается тензором первого ранга (его компоненты имеют один индекс), а скаляр можно рассматривать как тензор нулевого ранга, не имеющий индексов; в любой системе координат скаляр имеет, очевидно, то же самое значение.

Важная и интересная особенность: можно просто проверить по формулам преобразования координат, что средняя (в смысле среднего арифметического) деформация удлинения одинакова в любой системе координат, т.е.

Другими словами, все компоненты тензора eij изменились при переходе к новой системе, а их сумма имеет прежнее значение, которое имеет простой физический смысл: если до деформации частица имела объем V, а после деформации он изменился на величину DV, то

Комбинации компонент тензора, которые не изменяют своего значения при переходе к новой системе координат, называются инвариантами этого тензора. Таким образом,

есть инвариант. Инвариантом является не только средняя деформация удлинения, но и среднеквадратичная деформация e_u, определяемая по формуле:

Если

то деформация окрестности точки M происходит без изменения объема частицы. Если это справедливо для всех точек тела, то говорят, что оно несжимаемо. Это обстоятельство (а также то, что суммой матриц тензоров называется матрица-тензор, элементы которой суть суммы соответствующих элементов слагаемых) позволяет разделить тензор деформации на две части: объемную деформацию и остальную, при которой объем не изменяется. Эта вторая часть, таким образом, является чисто сдвиговой.

Первый тензор в правой части равенства называется шаровым, второй – девиатором (от лат. deviatio – искажение), т.к. он связан с искажениями прямых углов – сдвигами. Название «шаровой» связано с тем, что матрица этого тензора в аналитической геометрии описывает сферическую поверхность.

Владимир Кузнецов

Конспект по физике «Деформация тела»

Деформация тела

Код ОГЭ 1.12. Деформация тела. Упругие и неупругие деформации. Закон упругой деформации (закон Гука).

---

---

Деформация – изменение формы или объёма тела под действием внешних сил. Деформация может быть упругая или неупругая.

Упругая деформация – деформация, при которой после прекращения действия силы размеры и форма тела полностью восстанавливаются.

Изменение длины тела Δl = l – l₀, где l₀ – начальная длина недеформированного тела, l – длина деформированного тела, принято называть величиной деформации.

Величина деформации – это скалярная физическая величина, которая может быть и положительной (тело растягивается), и отрицательной (тело сжимается).

Сила упругости направлена против смещения частей тела при деформации, возникает в деформируемом теле, но приложена к тому объекту, действием которого вызвана деформация.

Закон Гука: Для малых деформаций модуль силы упругости прямо пропорционален величине деформации: F_упр = k |Δl|, где коэффициент пропорциональности k называется жёсткостью.

Единица измерения жёсткости в системе СИ: Н/м. Жёсткость зависит от материала, формы и размеров деформируемого тела.

Внимание! Если тело отсчёта выбранной ИСО расположить у свободного конца деформируемого тела, то при его деформации координата этого конца тела равна величине деформации. Тогда формула закона Гука, записанного для проекции силы упругости, принимает вид: F_упр.x = –kх. Знак «минус» в этом случае указывает на то, что сила упругости направлена в сторону, противоположную смещению частей тела при деформации.

Величины деформаций, для которых справедлив закон Гука, определяются экспериментально для каждого деформируемого тела.

Внимание! Линейная зависимость между модулем силы упругости и удлинением пружины (закон Гука) лежит в основе способа измерения силы с помощью динамометра.

При этом модуль измеряемой силы равен силе упругости пружины, которая, в свою очередь, рассчитывается по величине деформации. Для правильного измерения силы, растягивающей пружину динамометра, необходимо, чтобы во время измерения динамометр находился в покое или двигался прямолинейно и равномерно! Только в этом случае модуль измеряемой силы и модуль силы упругости равны друг другу.

Частные случаи силы упругости:

1. Сила реакции опоры N: возникает при деформации опоры, приложена к телу, деформирующему опору, и направлена перпендикулярно поверхности опоры.
2. Сила натяжения (нити, сцепки) Т: возникает в нити, приложена к телу, действие которого вызывает деформацию нити, и направлена вдоль нити в сторону, противоположную деформации.

Внимание! При решении задач часто используется физическая модель «невесомая нерастяжимая нить». Если нить невесома, то она не рассматривается в качестве отдельного тела, для неё не пишется уравнение движения. Условие невесомости приводит также к тому, что силы упругости, возникающие в нити и приложенные к двум связанным телам, равны по модулю (исключение могут составлять задачи, в которых нить перекинута через весомый блок). Нерастяжимость нити приводит к тому, что связанные ею тела движутся с одинаковым по модулю ускорением.

---

Конспект урока «Деформация тела».

Следующая тема: «Всемирное тяготение».