Деформация, основные виды — Справочник химика 21

    Качество огнеупоров характеризуется огнеупорностью, температурой начала деформации под нагрузкой, изменением объема при нагревании, термической стойкостью, механической прочностью, устойчивостью против воздействия шлаков и окислов, правильностью заданной геометрической формы и точностью размеров. Основные виды огнеупоров, применяемых в печах, и их свойства приведены в табл. 37. [c.282]

    Форма, которую принимает капля в потоке газа, зависит как от характера течения в окрестности капли, так и от свойств жидкости и газа, а именно от плотностей, коэффициентов вязкости и поверхностного натяжения. В [47] выделены три основных вида деформаций капли (рис. 17.11). [c.463]

    Сложные виды деформаций. Основные виды деформации — растяжение, сжатие, сдвиг и кручение — в реальных конструкциях резиновых деталей осложняются взаимным наложением в различных комбинациях, что приводит к сложным видам деформаций, например вдавливанию.

Обычно сжатие сопровождается сдвигом, а иногда — кручением. Результат комбинированных нагружений выражается в изменении характера кривых на диаграммах зависимости условное напряжение —деформация конструкции. В отдельных случаях зависимость принимает линейный характер. Однако необходимо учитывать, что отношение напряжения к деформации в линейной их зависимости представляет собой модуль лишь при упругой деформации. Условием этого можно считать, что деформации при последующей разгрузке вполне или в значительной степени, например на 90—95%, обратимы. [c.265]

    Основной вид соединения деталей в аппаратостроении — сварка. Однако в результате сварочных операций возникают различного рода деформации, не позволяющие вести сборку аппаратов по принципу взаимозаменяемости. Это увеличивает трудоемкость сборочных операций и нарушает ритм работы линии. Поэтому при разработке технологического процесса необходимо заранее учитывать расчетным или статическим методом сварочные деформации.

 [c.14]

    Твердому телу свойственны обратимые деформации, полностью исчезающие при снятии внешнего напряжения (напряжение Р — это отношение силы к площади, к которой она приложена). Различают два основных вида деформации растяжение (сжатие) — результат напряжения, направленного нормально к поверхности, и сдвиг — угловая деформация без изменения размеров и объема тела — результат тангенциального напряжения. [c.427]

    Существует два основных вида деформаций растяжение (или сжатие) и сдвиг, соответствующие нормальному и тангенциальному напряжениям. [c.263]

    Основные виды деформации и внешние воздействия, прилагаемые к резиновым изделиям в процессе эксплуатации.  [c.63]

    Усталостный износ является основным видом износа резиновых изделий. Он проявляется при небольших значениях силы трения между резиной и истирающей поверхностью При этом на истираемой поверхности обычно не образуется царапин. Его интенсивность меньше, чем фрикционного и абразивного износа. Стойкость резин к этому виду износа определяется выносливостью резин к многократным деформациям, так как местные напряжения и деформации, возникающие от неровностей на истираемой поверхности в точках соприкосновения с контртелом, в результате проскальзывания трущихся поверхностей многократно повторяются. Повышение прочности, усталостной выносливости, стойкости к старению и снижение модуля упругости и гистерезисных потерь снижает усталостный износ. [c.155]

    Геометрия больших деформаций. Основное свойство биортогональных (взаимных) векторных базисов записывается в виде  

[c.25]

    Капиллярные вискозиметры просты по конструкции, удобны в работе и надежны, так как не имеют вращающихся и трущихся частей. Они дают возможность охватить большой диапазон скоростей деформаций (и напряжений сдвига), перекрывающий деформационные режимы основных видов переработки резиновых смесей. Так, изменяя при постоянных перепадах давления только радиусы капилляров в 5—10 раз, можно достичь изменения объемных скоростей течения в-600—1000 раз.  [c.54]

    В технике различают деформации растяжения (сжатия), сдвига, кручения и т. д. В МСС доказывается, что в случае несжимаемых материалов, каковыми являются многие дисперсные системы, основной можно считать деформацию сдвига, а остальные представляют собой различные комбинации этого основного вида деформации. 

[c.669]

    Критерии работоспособности. Основными видами повреждения зубьев пластмассовых зубчатых колес являются усталостный излом зубьев, усталостное выкрашивание рабочих поверхностей зубьев, пластические деформации и износ. [c.206]

    У твердых тел (кристаллических и аморфных) наблюдается два основных вида разрыва хрупкий и пластический. Хрупким называется разрыв, при котором разрушающие напряжения не вызывают в образце каких-либо заметных остаточных деформаций, связанных с вязким (для аморфных материалов) или пластическим (для кристаллических материалов) течением вещества. При хрупком разрушении сечение образца до и после разрыва одно и то же, в противоположность большему или меньшему сужению образца в месте разрушения при пластическом разрыве.  [c.9]

    Программа изменения температуры и деформации образца задается на бумажной ленте в виде черных линий, аналогично описанному вьппе в настоящей главе. Основной вид испьггания состоит в нагружении образца по заданной программе деформации при конкретном характере изменения его температуры. Испытывается последовательно несколько образцов при одинаковом термическом цикле. Каждый из последующих образцов имеет программу деформации, соответствующую наличию в детали более крупного трещиноподобного дефекта. После завершения испьггания образца производится его долом с целью определения возможного подрастания трещины. 

[c.470]

    Основным видом нагружения является осевое растяжение-сжатие с заданными амплитудами деформаций. [c.213]

    Напряжение, вызывающее деформацию тела, определяется отношением силы к площади, на которую она действует. Действующая сила может быть разложена иа две составляющие нормальную, иаиравлениую перпендикулярно к поверхности тела, и тангенциальную (касательную), направленную ио касательной к этой поверхности.

Соответственно различают два вида напряжений нормальные и тангенциальные, которым отвечают два основных вида деформаций растяжение (нлн сжатие) и сдвиг. Остальные виды деформации можно представить с помощью различных комбинаций этих основных видов деформаций. Едииицами напряжения являются в СП Па (паскаль), в системе СГС — дин/см . [c.356]

    Основными видами деформаций, которые испытывают герметики в различных условиях эксплуатации, являются, как правило, сдвиг и растяжение (сжатие), что обусловливает два основных требования, предъявляемых к герметикам, — эластичность и адгезия к различным конструкционным материалам металлам, дереву, пластмассам, стеклу, бетону, камню и др. [c.132]

    ОСНОВНЫЕ ВИДЫ ДЕФОРМАЦИИ [c.15]

    Основная особенность течения полимеров заключается в одновременном развитии трех видов деформации упругой уу, высокоэластической Vb и пластической Vn [19]. Деформации первых двух видов носят обратимый характер, деформации третьего вида являются необратимыми.

Таким образом, для деформации сдвига элементарной призмы, вырезанной из расплава, справедливо следующее уравнение  [c.46]

    Разрывы теплообменной аппаратуры и технологических тру- бопроводов вызываются недопустимыми напряжениями в конструкциях вследствие отсутствия необходимой компенсации температурных деформаций. По этим причинам происходили разрывы элементов кожухотрубных теплообменников и других теплообменных аппаратов, а также технологических трубопроводов со взрывоопасными и токсичными продуктами. Следует иметь в виду, что теплообменная аппаратура является одним из основных видов технологического оборудования и составляет примерно 30—40% (по массе) от всего химического оборудования. 

[c.64]

    При измельчении материалов основными видами энергии, способствующими развитию трещин, являются энергии упругой и пластической деформаций, хотя в некоторых случаях возможны и другие виды энергии.  [c.135]

    Ряд авторов подчеркивают, что для правильной оценки пластмасс изучение старения нужно вести с учетом хрупкого разрушения — основного вида разрушения пластмасс при их эксплуатации, для чего необходимо знать влияние на поведение пластмасс скорости деформации и различных видов напряжений (растяжения, сжатия, сдвига, изгиба)2° . Так, при резком изменении скорости деформации растяжения полиэтилена (перехода от изотермической к адиабатической деформации) величина удлинения при разрыве проходит через максимум при этом максимум резче выражен у полиэтилена высокой плотности, чем у полиэтилена низкой плотности Описаны методы контроля 

[c.277]

    Если снять нагрузку с растянутого линейного полимера, то он частично сократится, но не достигнет исходной длины, т. е. деформация является лишь частично обратимой. Это объясняется тем, что при растягивании происходит два основных вида деформации 1) распрямление скрученных макромолекул и 2) вязкое течение, т. е. относительное перемещение цепей молекул. Распрям-.ленные макромолекулы при снятии нагрузки снова скручиваются. Этот вид деформации обратим. Удлинение, возникшее вследствие вязкого течения, — процесс необратимый. [c.27]

    Лекция 7. Метод сечений. Основные виды деформаций. Напряжение. Виды напряженного состояния. Закон Гука. Продольные силы. Построение эпюр продольных сил. Напряжения и деформации при растяжении и сжатии. 

[c.250]

    Основным видом деформации, характеризующим жидкое состояние, является течение. При малых напряжениях и малых скоростях потока жидкость движется параллельными несмеши-вающимися слоями. Такое движение называется ламинарным. Между слоями возникает сила трения, направленная противоположно движению и зависящая от сил сцепления (межмолекулярного взаимодействия) молекул жидкости. [c.429]

    Одним из основных видов деформации в вершине трещины, растущей в хрупком полимере, является вынужденно-эластическая деформация. Несмотря на то что полимер в целом не обнаруживает ннкакн.х признаков вынужденной эластичности, в микрообъеме может наблюдаться перемещение сегментов н их последующее разрушение. Так, при нагревании до температуры хрупкости (Т = Тхр), когда шейка в образце еще не развивается, в микрообъеме в вершине трещины может развиваться значительная вынужденно-эла- [c.197]

    Исследование механических свойств твердых тел и жидкостей, т. е. их способности сопротивляться деформации и разрушению под действием приложенной извне механической нагрузки, показывает, что существует общность законов, описывающих механическое поведение тел различной природы. Можно выделить несколько простейших, вместе с тем основных, видов механического поведения и, комбинируя их, приближенно описать более сложные механические свойства реальных тел. Наука, формулирующая правила и законы обобщенного рассмотрения механического поведения твердо- и жидкообразных тел, называется реологией (от греческих слов ресоа — течение и А-оуса — учение). Основным методом реологии является рассмотрение механических свойств на определенных идеализированных моделях, поведение которых описывается небольшим числом парамет- [c.307]

    Основные виды покрытий на основе каучуков Покрытия на основе каучуков обладают комплексом ценных свойств высокой химической стойкостью в сочетании с износостойкостью, небольшой стоимостью, хорошей адгезией к металлической поверхности, высокой стойкостью к деформациям и ударам, простотой нанесення. [c.101]

    Так как в условиях эксплуатации дорожного покрытия прп повышенных температурах (летом) основным видом деформаций, вызывающим разрушение дорожного покрытия, являются деформации сдвига, а при низких температурах (зпмой)—деформации изгиба, исследование структурно-реологических свойств бптумов целесообразно производить в интервале низких температур методом деформирования при изгибе, в остальном температурном диапазоне — методом чистого однородного сдвига. [c. 77]

    Во-вторых, предшествующая деформация основного материала может повлиять на определение характеристик КР. Поскольку большинство полуфабрикатов из титановых сплавов поставляются в отожженном или закаленно-состаренном состояниях, вероятно, наиболее общие виды холодного наклепа могут приводить к напряжениям, возникающим в процессе изготовления конструкции. Влияние холодного наклепа на характеристики КР не было ши роко изучено. В работе [100] показано, что величины Ки и Кшх> для титана Т1-70 А зависят от предварительного наклепа. Согласно данным табл. 2 величина Кгкр вначале снижается с ростом степени наклепа, а затем возрастает. В а-сплавах Т1—5 А1—2,5 5п и Т1—5 5п—5 2г холодный наклеп, по-видимому, незначительно увеличивает 1кр [100]. Фактически данные по влиянию холодного наклепа на характеристики КР других титановых сплавов отсутствуют. Единственный результат, полученный на сплаве И—7 А1— 2,5 Мо, показывает, что холодный наклеп увеличивает /С р [ЮО]. [c. 320]

    Полимеры в вязкотекучем состоянии могут испытывать три вида деформации сдвиг, одноосное растяжение и объемное сжатие Наиболее изучено течение полимеров прн сдвиге Перемещение элементов тела осуществ чяется под действием тангенциальных напряжений ог со скоростью (где — деформация, (— время). Сдвиг являстся основным видом деформирования прн переработке полимеров на смесительном обо-рудовапни (смешение с ингредиентами, ватьцевание и др). Одноосная деформация яв ]ястся определяющей ирн производстве во юкон, а прн получении пленок большой вк 1ад вносит и двухосное растяжение [c.301]

    Упругая деформация (Vynp) связана с изменением расстояния между атомами в макромолекулах и с изменением валентных углов. Величина ее незначительна по сравнению с двумя другими составляющими, и ею поэтому, как правило, можно пренебречь. Высокоэластическая деформация (Ув. эл) связана с раскручиванием макромолекулярных клубков и может достигать по своей величине сотен процентов. При температуре выше температуры текучести полимера основным видом деформации является деформация вязкого течения (Утеч). обусловленная взаимным перемещением центров тяжести отдельных макромолекул. Однако в той или иной степени сохраняются высокоэластические свойства. Реологические свойства расплавов полимеров определяются характером зависимости между напряжением и скоростью сдвига. Эту зависимость = / Уху) выраженную графически, обычно называют кривой течения (рис. 1.1). [c.17]

    Термическая обработка. Вид термической обработки зависит от назначения изделия н стадии технологического процесса. Сердечники твэлов обычно подвергают Р-закалке для создания мелкозернистой квазя-изотропной структуры. При изготовлении листов и проволоки используют отжиги для уменьшения наклепа и получения мелкозернистой рекри-сталлизованной структуры, р-термообработка заключается в нагреве урана до температур образования Э-фазы, выдержке для обеспечения полноты а- -Р-превращения и охлаждения до температур нижней области а-фазы. Рекомендуется проводить закалку сразу после окончания а->-Р-превращения, чтобы избежать роста зерна. Однако на практике это Время немного увеличивают, чтобы выровнять состав сплава и улучшить структуру при последующем охлаждении. Благодаря увеличению анизотропии, которым сопровождается р->а-превращение, решетка урана во время Р-закалки испытывает сильную деформацию. Поэтому Р-закалеи-ный уран обычно отжигают при 500—580 °С для снятия напряжений. Р-закалка является стандартным способом получения необходимых структуры и свойств сердечников твэлов. Для выравнивания режимов Р-закалки необходимо ограничивать время пребывания изделий на воздухе при переносе их в закалочную среду и контролировать скорость охлаждения образца в закалочном баке. Если р-закалке подвергают изделия после а-деформации, основная задача Р-закалки — снять текстуру. При термической обработке литых заготовок основная задача Р-закалкн — измельчение зерна. [c.620]

    Момент, обусловленный упругой деформацией электронных болочек и=пи упругим смещением атомов, составляющих молекулу, устанавливается почти мгновенно (в течение 10- —10 сек). Величина диэлектрической проницаемости, связанная лишь с установлением электрического момента этого вида, определяется известным соотношением Максвелла е = п (п — оптический показатель Преломления). Это основной вид поляризации в неполярных диэлектриках. [c.272]

    Следует подчеркнуть, что при использовании схем расчета по энергиям связи, а также при сравнении с другими значениями энтальпий атомизации рассчитанные величины обычно приводят при 298° К. Эти величины, как правило, представляют собой сумму термической энергии атомов и молекул и энергии основных видов колебаний ядер при 0° К. Поэтому во многих случаях было бы вполне логично рассматривать значения энергии при какой-либо одной базисной температуре, т. е. при 0° К или 298° К. Неландер и Суннер [1050], рассмотрев ряд нолициклических молекул, пришли к выводу, что, хотя термин энергия и употребляется при вычислении энергий связи (а также энергий деформации), том не менее во всех обычных расчетных схемах удобнее использовать величины энтальпий. Этот факт необходимо учитывать нри анализе процессов, связанных с образованием кольцевых структур. Эти авторы указали также на целесообразность использования во всех возможных случаях в качестве базисной [c.164]

    ЦИАНИРОВАНИЕ — диффузионное насыщение поверхности изделий из сталп (чугуна) одновременно углеродом и азотом в расплавленных солях. См. также Нитроцемептация, ЦИКЛИЧЕСКАЯ ВЯЗКОСТЬ (от греч. лилХое — круг, круговращение, цикл) — свойство твердых материалов необратимо рассеивать энергию при циклическом деформировании. Начинает заметно проявляться при напряжении выше предела упругости и обусловлена в основном микропластическими деформациями. Графическая зависимость между напряжением и деформацией имеет вид петли (рис.), к-рая наз. петлей мех. гистерезиса. Площадь петли равна энергии, необратимо рассеянной в единице объе.ма материала за один цикл, и характеризует циклич. вязкость. Определяют Ц. в. отношением [c.722]

    Стабилизаторы применяют для защиты иолимеров от старения. Основные виды стабилизаторов антиоксиданты, к-рые являются ингибиторами термической деструкции и термоокислительной деструкции антиозонанты — ингибиторы озонного старения светостабилизаторы — ингибиторы фотоокислителъной деструкции антирады — ингибиторы радиационной деструкции. К стабилизаторам отпосятся также и про-тивоутомители — вещества, повышающие усталостную выносливость резни при многократных деформациях. [c.421]

---

Деформация. Виды деформаций твердых тел. Механическое напряжение. Закон Гука

В данной теме будут рассмотрены решения задач, связанных с использованием закона Гука. А также порешаем задачи на тепловое расширение тел.

Задача 1. Для измерения глубины моря с корабля спустили гирю на стальном тросе. Плотность стали 7800 кг/м³, плотность морской воды 1030 кг/м³. Если предел прочности стали равен 5 ∙ 10⁸ Па, то какова максимальная глубина, которую можно измерить этим методом? Массой гири пренебречь.

ДАНО:	РЕШЕНИЕ Равнодействующая сил Выталкивающая сила Масса троса Тогда равнодействующая сил Предел прочности Искомая глубина Проверим размерности

Ответ: максимальная глубина, которую можно измерить этим методом равна 7,5 км.

Задача 2. Между стенами закреплен брус, площадь поперечного сечения которого 10 см², модуль Юнга 2,1 ∙ 10¹¹ Па, а коэффициент линейного расширения равен 1,2 ∙ 10⁻⁵ К⁻¹. С какой силой будет давить брус на стены, если его нагреть на 20 ^оС?

ДАНО:	РЕШЕНИЕ В результате нагревания бруса происходит его удлинение на величину Dl Удлинение бруса можно определить как Чтобы длина бруса, вследствие его нагревания, не изменилась, очевидно, что к нему необходимо приложить силу, которую можно найти из закона Гука Жёсткость бруса Тогда сила упругости Согласно III закону Ньютона Проверим размерности

Ответ: брус будет давить на стены с силой 50,4 кН.

Задача 3. Определите модуль упругости хрящевой ткани, поперечное сечение которой 1,5 см², если растяжение ткани силой 130 Н вызывает ее относительное удлинение 3,9%.

ДАНО:	СИ	РЕШЕНИЕ Изобразим хрящевую ткань в виде кубика, и силы, действующие на нее. На ткань действуют следующие силы — это растягивающая сила (ее мы направим вправо) и сила упругости хрящевой ткани, которая препятствует ее удлинению Условие равновесия Сила упругости по закону Гука равна Коэффициент жёсткости хрящевой ткани Тогда сила упругости Модуль Юнга

Ответ: Е = 22,2 МПа.

Задача 4. К медной проволоке длиной 1 м и радиусом поперечного сечения 1 мм подвесили груз массой 100 кг. Чему равна работа по растяжению проволоки?

ДАНО:	СИ	РЕШЕНИЕ Работа по растяжению проволоки Условие равновесия Из закона Гука Тогда условие равновесия Из условия равновесия удлинение проволоки Жёсткость проволоки Тогда работа по растяжению проволоки

Ответ: работа по растяжению проволоки равна 1,3 Дж.

Задача 5. В медный калориметр с площадью дна 200 см² и высотой 12 см налит до краев керосин при температуре 20 ^оС. Сколько керосина по массе выльется, если его нагреть до 100 ^оС?

ДАНО:	СИ	РЕШЕНИЕ Поскольку коэффициент объемного расширения жидкостей всегда больше коэффициента объемного расширения твердых тел, то при нагревании на одинаковое число кельвин приращение объема керосина будет больше приращения объема калориметра, и часть керосина из него выльется. Масса влившегося керосина Массы керосина Объем керосина при начальной и конечной температурах Как правило, в таблицах не дают значений коэффициентов объемного расширения твердых тел. Поэтому при решении задач принято считать, что коэффициент объемного расширения твердого тела в три раза больше коэффициента его линейного расширения. Тогда Плотности керосина при начальной и конечной температурах Изменения температур Тогда масса вылившегося керосина

Ответ: из калориметра выльется 16,4 г керосина.

Нагрузки, напряжения и деформация Механические свойства и способы определения их количественных характеристик: прочность, пластичность, твердость, вязкость, усталостная прочность

Физическая природа деформации металлов.

Деформацией называется изменение формы и размеров тела под действием напряжений.

Напряжение – сила, действующая на единицу площади сечения детали.

Напряжения и вызываемые ими деформации могут возникать при действии на тело внешних сил растяжения, сжатия и т.д., а также в результате фазовых (структурных) превращений, усадки и других физико-химических процессов, протекающих в металлах и связанных с изменением объема.

Металл, находящийся в напряженном состоянии, при любом виде нагружения всегда испытывает напряжения нормальные и касательные (рис. 6.1.).

Рис.6.1. Схема возникновения нормальных и касательных напряжений в металле при его нагружении

Рост нормальных и касательных напряжений приводит к разным последствиям. Рост нормальных напряжений приводит к хрупкому разрушению. Пластическую деформацию вызывают касательные напряжения.

Деформация металла под действием напряжений может быть упругой и пластической.

Упругой называется деформация, полностью исчезающая после снятия вызывающих ее напряжений.

При упругом деформировании изменяются расстояния между атомами металла в кристаллической решетке. Снятие нагрузки устраняет причину, вызвавшую изменение межатомного расстояния, атомы становятся на прежние места, и деформация исчезает.

Упругая деформация на диаграмме деформации характеризуется линией ОА (рис.6.2) .

Рис.6.2. Диаграмма зависимости деформации металла ε от действующих

напряжений σ

Если нормальные напряжения достигают значения сил межатомных связей, то наблюдается хрупкое разрушение путем отрыва (рис.6.3).

Рис.6.3. Схема упругой деформации и хрупкого разрушения

под действием упругих напряжений

а – ненапряженная решетка металла;  б – упругая деформация;

в, г – хрупкое разрушение в результате отрыва

Зависимость между  упругой деформацией  и напряжением σ выражается законом Гука

где: Е — модуль упругости.

Модуль упругости является важнейшей характеристикой упругих свойств металла. По физической природе величина модуля упругости рассматривается как мера прочности связей между атомами в твердом теле.

Эта механическая характеристика структурно нечувствительна, т. е. термическая  обработка или другие способы изменения структуры не изменяют модуля упругости, а повышение температуры, изменяющее межатомные расстояния, снижает модуль упругости.

Пластической или остаточной называется деформация  после прекращения действия вызвавших ее напряжений.

При пластическом деформировании одна часть кристалла перемещается по отношению к другой под действием касательных напряжений. При снятии нагрузок сдвиг остается, т.е. происходит пластическая деформация  (рис.6.4 )

В результате развития пластической деформации может произойти вязкое разрушение путем сдвига.

Рис.6.4. Схема пластической деформации и вязкого разрушения под

действием касательных напряжений

а – ненапряженная решетка; б – упругая деформация; в – упругая и

пластическая деформация; г – пластическая деформация;

д, е – пластичное (вязкое) разрушение в результате среза

Природа пластической деформации.

Металлы и сплавы в твердом состоянии имеют кристаллическое строение, и характер их деформации зависит от типа кристаллической структуры и от наличия несовершенств в этой структуре.

Рассмотрим пластическую деформацию в монокристалле.

Пластическая деформация может протекать под действием касательных напряжений и может осуществляться двумя способами.

1. Трансляционное скольжение по плоскостям  (рис. 6.5 а). Одни слои атомов кристалла скользят по другим слоям, причем они перемещаются на дискретную величину, равную целому числу межатомных расстояний.

В промежутках между полосами скольжения деформация не происходит. Твердое тело не изменяет своего кристаллического строения во время пластической деформации и расположение атомов в элементарных ячейках сохраняется

Плоскостями скольжения является кристаллографические плоскости с наиболее плотной упаковкой атомов.

Это наиболее характерный вид деформации при обработке давлением.

2. Двойникование – поворот одной части кристалла в положение симметричное другой его части. Плоскостью симметрии является плоскость двойникования  (рис. 6.5 б).

Двойникование чаще возникает при пластической деформации кристаллов с объемно-центрированной и гексагональной решеткой, причем с повышением скорости деформации и понижением температуры склонность к двойникованию возрастает.

Двойникование может возникать не только в результате действия внешних сил, но и в результате отжига пластически деформированного тела. Это характерно для металлов с гранецентрированной кубической решеткой (медь, латунь). Двойникованием можно достичь незначительной степени деформации.

а)                                                                   б)

Рис.6.5. Схемы пластической деформации различными способами:

а  – скольжением;   б –  двойникованием

Дислокационный механизм пластической деформации.

Пластическая деформация происходит в результате скольжения или двойникования. Ранее предполагали, что при скольжении одна часть кристалла сдвигается относительно другой части на целое число периодов как единое целое. Необходимое  для этого напряжение получается на несколько порядков выше действительного сдвигового напряжения.

Для железа теоретическое значение сдвигового напряжения МПа, _.

В основу современной теории пластической деформации взяты следующие положения:

–  скольжение распространяется по плоскости сдвига последовательно, а не одновременно;

–                   скольжение начинается от мест нарушений кристаллической решетки, которые возникают в кристалле при его нагружении.

Схема механизма деформации представлена на рис.6.6 а .

В равновесном состоянии дислокация неподвижна. Под действием напряжения экстраплоскость смещается справа налево при незначительном перемещении атомов. Нижняя часть плоскости Р’S (SR) сместится вправо и совместится с нижним краем экстра- плоскости РQ.

QR- остаточная деформация.

При дальнейшем движении дислокация пройдет всю плоскость скольжения и выйдет на поверхность зерна. При этом верхняя часть зерна сдвинута относительно нижней на один межатомный период решетки (рис. 6.6, б).

При каждом перемещении дислокации на один шаг необходимо разорвать связь только между двумя рядами атомов в плоскости Р’S, а не между всеми атомами, расположенными выше и ниже плоскости скольжения. Необходимое сдвиговое напряжение при этом мало, равно  практически  действительному…

Рис. 6.6. Схема дислокационного механизма пластической деформации

а – перемещение атомов при двихении краевой дислокации на одно

межатомное расстояние; б – перемещение дислокации через весь кристалл

Разрушение металлов.

Процесс деформации при достижении высоких напряжений завершается разрушением. Тела разрушаются по сечению не одновременно, а вследствие развития трещин. Разрушение включает три стадии: зарождение трещины,  ее распространение через сечение, окончательное разрушение.

Различают хрупкое разрушение –  отрыв одних слоев атомов от других под действием нормальных растягивающих напряжений. Отрыв не сопровождается предварительной деформацией. Механизм зарождения трещины одинаков  благодаря скоплению движущихся дислокаций перед препятствием (границы субзерен, фазовые границы), что приводит к концентрации напряжений, достаточной для образования трещины. Когда напряжения достигают определенного значения, размер трещины становится критическим и дальнейший рост осуществляется произвольно.

Для хрупкого разрушения характерна острая, часто ветвящаяся трещина. Величина зоны пластической деформации в устье трещины мала.  Скорость распространения хрупкой трещины велика – близка к скорости звука (внезапное катастрофическое разрушение). Энергоемкость хрупкого разрушения мала, а работа распространения трещины близка к нулю.

Различают транскристаллитное разрушение, когда  трещина распространяется по телу зерна,  и интеркристаллитное – когда по границам зерен (всегда хрупкое).

Результатом хрупкого разрушения является блестящий светлый кристаллический излом с ручьистым строением. Хрупкая трещина распространяется по нескольким параллельным плоскостям. Плоскость  излома перпендикулярна нормальным напряжениям.

Вязкое разрушение происходит путем среза под действием касательных напряжений. Ему всегда предшествует значительная пластическая деформация.

Трещина тупая раскрывающаяся. Величина пластической зоны впереди трещины велика. Малая скорость распространения трещины. Энергоемкость значительная, энергия расходуется на образование поверхностей раздела и на пластическую деформацию. Большая работа затрачивается на распространение трещины. Поверхность излома негладкая, рассеивает световые лучи, матовая (волокнистый излом). Плоскость излома располагается под углом.

По излому можно определить характер разрушения.

Механические свойства и  способы определения их количественных характеристик

Основными механическими свойствами являются прочность, упругость, вязкость, твердость. Зная механические свойства, конструктор обоснованно выбирает соответствующий материал, обеспечивающий надежность и долговечность конструкций при их минимальной массе.

Механические свойства определяют поведение материала при деформации и разрушении от действия внешних нагрузок.

Механические свойства могут определяться при следующих условиях нагружения:

1.  статическом нагружении – нагрузка на образец возрастает медленно и плавно.

2. динамическом нагружении – нагрузка возрастает с большой скоростью, имеет ударный характер.

3. повторно, переменном или циклическим  нагружении – нагрузка в процессе испытания многократно изменяется по величине или по величине и направлению.

Для получения сопоставимых результатов образцы и методика проведения механических испытаний регламентированы ГОСТами.

При статическом испытании на растяжение (ГОСТ 1497) получают характеристики прочности и пластичности.

Прочность – способность материала  сопротивляться деформациям и разрушению.

Испытания проводятся на специальных машинах, которые записывают диаграмму растяжения, выражающую зависимость удлинения образца l (мм) от действующей нагрузки Р,  т. е.   Δ l ═ f (P).

Но для получения данных по механическим свойствам перестраивают: зависимость относительного удлинения  от напряжения  σ

а)                                                       б)

Рис. 6.7.  Диаграмма растяжения : а – абсолютная,   б – схема определения условного предела текучести

Проанализируем процессы, которые происходят в материале образца при увеличении нагрузки.

Участок оа на диаграмме соответствует упругой деформации материала, когда соблюдается закон Гука. Напряжение, соответствующее упругой предельной деформации в точке а, называется пределом пропорциональности.

Предел пропорциональности  ()  – максимальное напряжение, до которого сохраняется линейная зависимость между деформацией и напряжением.

При напряжениях выше предела пропорциональности происходит равномерная пластическая деформация  (удлинение или сужение сечения).

Каждому напряжению соответствует остаточное удлинение, которое получаем проведением из соответствующей точки диаграммы растяжения линии параллельной оа.

Так как практически невозможно установить точку перехода в неупругое состояние, то устанавливают условный предел упругости, – максимальное напряжение, до которого образец получает только упругую деформацию. Считают напряжение, при котором остаточная деформация очень мала (0,005…0,05%).

В обозначении указывается значение остаточной деформации  (  ).

Предел текучести характеризует сопротивление материала небольшим пластическим деформациям.

В зависимости от природы материала используют физический или условный предел текучести.

Физический предел текучести () – это напряжение, при котором происходит увеличение деформации при постоянной нагрузке (наличие горизонтальной площадки на диаграмме растяжения). Используется для очень пластичных материалов.

Но основная часть металлов и сплавов не имеет площадки текучести.

Условный предел текучести () – это напряжение, вызывающее остаточную деформацию

Физический или условный предел текучести являются важными расчетными характеристиками материала. Действующие в детали напряжения должны быть ниже предела текучести.

Равномерная по всему объему пластичная деформация продолжается до значения предела прочности.

В точке в в наиболее слабом месте образца начинает образовываться шейка – сильное местное утомление образца.

Предел прочности () – напряжение, соответствующее максимальной нагрузке, которую выдерживает образец до разрушения (временное сопротивление разрыву).

Образование шейки характерно для пластичных материалов, которые имеют диаграмму растяжения с максимумом.

Предел прочности характеризует прочность как сопротивления значительной равномерной пластичной деформации. За точкой в, вследствие развития шейки нагрузка падает и в точке С происходит разрушение.

Истинное сопротивление разрушению – это максимальное напряжение, которое выдерживает материал в момент, предшествующий разрушению образца  (рис. 6.8).

Истинное сопротивление разрушению значительно больше предела прочности, так как оно определяется относительно конечной площади поперечного сечения образца.

Рис. 6.8. Истинная диаграмма растяжения

F- конечная площадь поперечного сечения образца.

Истинные напряжения Sопределяют как отношение нагрузки к площади поперечного сечения  в данный момент времени.

При испытании на растяжение определяются и характеристики пластичности.

Пластичность –– способность материала к пластической деформации, т.е. способность получать остаточное изменение формы и размеров без нарушения сплошности.

Это свойство используют при обработке металлов давлением.

Характеристики:

– относительное удлинение

и     –  начальная и конечная длина образца.

– абсолютное удлинение образца, определяется измерением образца после разрыва.

– относительное сужение

— начальная площадь поперечного сечения

— площадь поперечного сечения в шейке после разрыва.

Относительное сужение более точно характеризует пластичность и служит технологической характеристикой при листовой штамповке.

Пластичные материалы более надежны в работе, т.к. для них меньше вероятность опасного хрупкого разрушения.

Определение кривых напряжения-деформации — 2020

Модель материала	Малое сжатие, малое перемещение	Малое сжатие, большое перемещение	Большое сжатие, большое перемещение
Нелинейный эластичный	Истинное растяжение, инженерное сжатие	Истинное растяжение, инженерное сжатие	Не применимо
Упругопластичная пластичность по Мизесу, пластичность Tresca, Drucker Prager	Истинное растяжение, инженерное сжатие	Истинное растяжение, инженерное сжатие	Истинное растяжение, логарифмическое сжатие
Сверхупругие: Mooney-Rivlin, Ogden Blatz Ko	Инженерное сжатие, степень растяжения	Инженерное сжатие, степень растяжения	Инженерное сжатие, степень растяжения
Очень упругий	Истинное растяжение, логарифмическое сжатие	Истинное растяжение, логарифмическое сжатие	Истинное растяжение, логарифмическое сжатие
Вязкоупругий	Истинное растяжение, инженерное сжатие	Истинное растяжение, инженерное сжатие	Не применимо

Деформация твёрдых тел.

Виды деформации

на прошлом уроке мы с вами познакомились со строением кристаллов с их основными свойствами а сегодня будем изучать то как форма кристаллов меняется под действием внешней силой речь пойдет о деформации твердых тел тема урока деформации твердых тел . классификация видов деформации классификация видов деформацией домашнее задание на завтра конспект стримя восклицательными знаками то есть я вам расскажу больше чем учебники ну а по учебнику landsberg параграфы с 278 по 283 двести семьдесят восемь тире 283 это короткие параграфы ну и задачи лагерь в году решить следующие задачи задачи попроще 5556 и 59 и задача поинтересней 520 и 523 записали а теперь слушайте что вы не слышали деформации в самом слове уже содержится расшифровка этого понятия что-то связанное с формой представьте себе что вы гончар делаете глиняную посуду на гончарном круге вы сделали из глины допустим как горшок и поставили его перед обжигом он должен высохнуть и оказывается что после того как горшок высыхает он скукоживается его объем уменьшается это деформация представьте себе другую ситуацию биметаллическая пластина помните о восьмом классе мы с вами изучали что это такое это два металла 2 металлических пластин и с клепаные вместе заклепками одна из например цинка 2 из стали уценка коэффициент линейного расширения больше чем у стали заметным поэтому если такую пластину нагреть то длина цинковой половинки увеличится больше чем длина стальной половинки и поскольку они между собой соединены то что произойдет с пластиной она изогнется это деформация по действия нагрева мы с вами будем изучать деформацию под действием вне не силу я прикладываю внешнюю силу вызываем деформацию так что же такое деформация это любое изменение формы и объема тела запишем определение деформацией называется любое изменение деформацией называется любое изменение формы и объема тела деформации называется любое изменение формы и объема тела любое изменение формы и объема тела мы с вами будем изучать деформацию под действием внешней силы будем ли назвать где формирующая сила давайте исходить из того что мы узнали на прошлых уроках мы с вами знаем что кристаллическое тело будет речи и сейчас у кристаллических телах хотя все что сказано в принципе можно использовать и для мозга кристаллическом теле атомы находятся в положениях равновесия если мы попытаемся увеличить расстояние между атомами то есть если мы попытаемся растянуть тело-то между этими атомами начинают проявлять себя силы притяжения все тело можно представить себе как множество цепочек атомов и когда мы тело растягиваем между этими цепочками между атомами в каждой цепочки возникают силы притяжения каждая цепочка страница сократится но такие цепочки соединены параллельно и все тело состоит из множества таких цепочек и вот эти силы взаимодействия атомов сины взаимного притяжения складываясь дают нам некую силу которая приложена к моим рукам в данном случае когда я пытаюсь растянуть пружину приложена к моим рукам и называется она как сила упругости то сила упругости это равнодействующей тех сил межмолекулярного взаимодействия которые появляются при деформации еще раз обратим внимание сила упругости вследствие деформации с деформация причина сила упругости следствие может быть так вы можете возразить но пола греть как же так вы же вот деформацию вызывайте какой-то внешней силой правильно но внешние силы может не быть сил упругости при этом будет вот смотрите если я линейку сейчас вот так вот изогнут и после этого ее отпущу деформирующие силы останется нет если я ее отпустил на линейка начнет двигаться с ускорением под действием чему под действием сил упругости значит деформация осталась она не успела уйти когда я убрал руку и под действием в результате этой деформации сила упругости возникла который возвращает линейку к положению равновесия и так помню еще раз подчеркиваю деформация причина сил упругости следствие второе раз уж мы заговорили о молекулярном строении вещества каждый атом вещества находится в своем положении равновесия из-за теплового движения ум колеблется там вокруг положение равновесия но в целом неподвижен он находится в том месте где его потенциальная энергия минимально мы называем это потенциальная яма у каждого атома есть своя персональная потенциальная яма которая образована с соседними атомами если мы растягиваем например тело-то атомы покидают свое положение равновесие расстояние между ними увеличивается и они чуть-чуть выходят от серединки своей потенциальной ямы но остаются в ней когда мы перестаём действовать на тело отпускаем его атомы возвращаются в свои положи на весь и каждый по самую потенциальную яму где он до этого находился что при этом произойдет с формой тела если каждый атом вернулся в свое положение равновесия она полностью восстановится такая деформация называется абсолютно упругой давайте запишем определение деформация при которой тело полностью восстанавливает свою форму деформация при которой тело полностью восстанавливает свою форму после прекращения действия деформирующий силы полностью восстанавливает свою форму после прекращения действия деформирующие силой называется абсолютно упругой или просто у папы называется абсолютно упругой и просто итак деформации бывает упругая вот например упругой деформации линейки я ее немножечко разогнал согнул она разгибается полностью восстанавливается в форму а теперь рассмотрим другой случай допустим деформация настолько сильная что атомы покинули свои потенциальные ямы по крайней мере некоторые информация настолько что там из одного положения равновесия перескочил в какое-то другое положение равновесия если он нашел для новое положение равновесия то он там и останется там минимум его потенциальной энергии значит если мы прекратим действовать силой растягивающие и сжимающие сгибающие тело то она уже свою форму не восстановит потому что там их в прежнее потенциальной ямы не вернуться такая деформация называется пластической запишем определение деформация при которой тело полностью сохраняет новую форму деформация при которой тело полностью сохраняет свою новую форму после прекращения действия деформирующий силой полностью сохраняет свою форму после прекращения действия формирующей силой называется пластической деформация при которой тело полностью восстанавливается минуты полностью сохраняет свою новую форму после прекращения действия деформирующий силы называется пластической так вот это на самом деле два крайних случая реальность она всегда между этими двумя состояниями это модели как не бывает абсолютно черного цвета они не абсолютно белого не бывает точно так же не бывает абсолютно упругой и абсолютно пластической деформации если формация малая то ее можно считать абсолютно упругой мы не замечаем чтобы тело не возвращалась в свое прежнее состояние чтобы она что она не восстанавливает свои формы до конца хотя он и ребята школьники многие могут так согнуть эту линейку что она уже потом полностью свою форму не восстановлен или если мы возьмем кусочек пластилина если его согнуть он свою новую форму сохраняем это пластическая деформация отсюда и название пластилин но на самом деле если деформировать даже это пластилин едва-едва то можно заметить что он частично свою форму восстанавливает очень ярко какая частичная упругая частично пластическая деформация проявляется вот на такой линейки линейка не ломай специально для школьников сделано чтобы они могли себя проявить я ее сгинаю она на первых порах сохраняется в деформацию но постепенно выравнивается она нет вот сейчас я ее отпущу она не будет в такой форме она чуть-чуть разогнулась но не полностью вот эта реальность между абсолютно упругой и пластической деформации это самое интересное зато вот эти два вида деформации самые простые то есть они более всего поддаются изучению поэтому мы с вами сегодняшний урок посвятим исключительно упругой деформации то что вам рассказал это уже один из видов классификации деформации информации можно делить на упреки пластически и какие-то промежуточные а теперь второй вид классификации по характеру изменения формы тела классификация по характеру изменения формы тела классификация деформации по характеру изменения формы тела тут мы поставим 1 римская а здесь мы поставим 2 классификация на упругие пластические это один вид классификации а по характеру изменения формы тела второй вид 1 простейший вид деформации растяжения черточка с сжатия растяжение-сжатие давайте нарисуем как выглядит деформации растяжения и сжатия на самом деле растяжение-сжатие то одно и то же с точностью до знака поэтому мы будем рисовать деформацию растяжения уезжать или в к себе представить пусть у нас имеются стержень один конец которого закреплен на этот стержень с другого конца мы будем действовать какой-то силой эту силу я буду обозначать пунктиром под действием этой силы стержень растянется вот эта сила f между атомами начнут проявлять себя силы притяжения и поэтому стержень своим концом будет то тело которое сообщила ему эту силу тянуть в противоположную сторону по третьему закона мету это и будет та самая сила которую мы называем силой упругости она по модулю buy точно такое же если стержень и подвижен вот так будет пытаться вернуть стержень в прежнее положение возвратить его форму напоминаем мы говорим об упругих деформациях поскольку нам предстоит с этой деформации иметь дело довольно подробно давайте сразу попробуем количественное и описать пусть первоначальная длина стержня корее а длина деформированного стержня случае деформации растяжения будет больше она будет равна н плюс дельта я не она стала больше на величину in time величина дельта р вот она имеет свое название она называется абсолютное обвинение бель-иль абсолютная удлинение каких единицах измеряется она все в метрах как любая длина а теперь давайте введем еще одну величину которая более содержательно почему более содержательно сейчас станет ясно разделим абсолютно и удлинение на первоначальную длину мы получим величину которая является безразмерной она обозначается греческой буквой эпсилон и носит название относительного удлинения относительное удлинение это безразмерная величина давайте запишем определение что это такое относительным удлинением называется физическая величина равная относительное удлинение называется физическая величина равная отношение абсолютного удлинения физическая величина равная отношению абсолютного удлинения к первоначальной длине тела отношению абсолютного удлинения к первоначальной длины тела нетрудно догадаться что если эпсилон положительное то это будет деформация какое растяжении или сжатии и растяжении если version отрицательная то это будет деформация сжатие чем интересна эта величина оказывается что она характеризует не деформацию тело целом а деформацию материала из которого это тело сделано вот смотрите допустим мы возьмем на эту резинку подвесим киеву она вызовет деформацию резинки соответственно деформированная резинка силой упругости подействовать на эту беру силой направленной вверх вот это удлинение резинки зависит от того какой длинны и сама резинка если резинка длинное длине не будет побольше если резинка короткая удлиняя не будет поменьше но если мы возьмем резину в два раза короче то абсолютное удлинение в этой ситуации будет в два раза меньше чем несли резина у нас имеет полную длину а если мы абсолютно и удлинение разделим на первоначальную глину то мы получим всегда одно и то же независимо от того короткая резинка длинная или совсем короткая относительное удлинение характеризует деформацию материала независимо от того какой длины тела сделано в этом случае из этого материала а раз так то это более информативной а величина не зависит от длины давайте еще одну величину все которое в дальнейшем нам понадобится стержень действует на окружающие тела силой упругости введём поперечное сечение стержня площадь с и рассмотрим вот такую величину отношение силы упругости и лошади поперечного сечения о которой она распределена эта величина обозначается буквой сигма только она никакого отношения к коэффициенту поверхностного натяжения и удельной поверхностной энергии не имеет алфавит гораздо беднее чем природа поэтому физики понятий больше чем букв в алфавите эта величина называется механическое напряжение механическое напряжение механическое напряжение запишем определение механическим напряжением называется физическая величина равная механическим напряжением называется физическая величина равное отношение силы упругости физическая величина равна отношению силы упругости площади поперечного сечения по которому эта сила распределена отношение силы упругости к площади поперечного сечения по которому она распределена каких единицах измеряется механическое напряжение давайте посмотрим единицы измерения сигма сила измеряется в ньютонах площадь в квадратных метрах а что это такое ньютон делить на квадратный метр как называется эта единица а вообще как называется отношение силы действующий перпендикулярно некоторой поверхности к площади поверхности это называется давление каких единицах измеряется давление в паскалях относительно механическое напряжение тоже измеряется в паскалях эта величина очень близкое по смыслу к давлению если вы сжимаете стержень то давление которое вы на него производите как раз равно механическому напряже в объеме сдержит вот эти две величины обе описывают не деформацию тела и не силу приложенную к телу деформацию материала из которого это тело сделано и механическую нагрузку на сам материал эти величины наверное как-то связаны друг с другом эту связь мы установим на следующем уроке а сейчас нам нужно продолжить классификацию видов деформации и давайте заодно продемонстрируем нам этой модели особенность деформации растяжения ржания вот тело его она состоит из а там эти атомы можно считать расположен вот такими слоями назовем их атомными плоскостями когда мы тело подвергаем деформации сжатия или растяжения то эти плоскости остаются параллельными друг другу но они у давайте так смотреть но они смещаются друг относительно друга в какую сторону в направлении перпендикулярная самим плоскостям оставаясь параллельными друг другу они смещаются в направлении перпендикулярном плоскости возьмем это на заметку а теперь перейдем к следующему его деформации уже так подробно его описано не будем но память деформация сдвига второй сдвиг рассмотрим тело форме прямоугольного параллелепипеда которые мы прикрепим к какой-то поверхности приклеим например вот такое чем приклеили в поверхности стола по действуем на него силой направленной вдоль этой поверхности в результате тело изменит свою форму вот так он самади формирующая сила я ее по-прежнему буду обозначать пунктиром это не формирующейся результате такой деформации возникнет сила упругости которая будет пытаться мешать это и силе дальнейшем деформировать тело силу упругости приложена к тому телу которое вызвало а теперь посмотрите как можно описать количественно это этот вид деформации его можно описать с помощью угла вот этот угол гамма угол сдвига при деформации сдвига атомной плоскости тоже смещаются на давайте посмотрим на эту модель как они смещаются если при деформации сжатия а не смещались направлении перпендикулярном самим плоскостям что при деформации сдвига они смещаются в том же направлении в котором лежат эти плоскости параллельно самим плоскость а ну а теперь смотрите что дальше можно сделать если мы возьмем какую-то сложную деформацию рассмотрим например вот такую то ее можно разложить на 2 простые деформации вот эта точка одновременно движется вниз перпендикулярного танатос костями и вправо вдоль оси y и вдоль оси x смещение на любой вектор можно представить как смещение в доле y en tu le six значит сложную деформацию можно представить как комбинацию вот такой растяжение-сжатие и такой деформации сдвига любую сложную формацию можно представить как комбинацию растяжение сжатия и сдвига поэтому эти два вида деформации являются основными и закономерности этих деформаций прежде всего надо изучать третий вид деформации деформация изгиба представим себе тело напишем название изгиб представим себе тело лежащие на двух опорах мы можем к нему силу направленную вниз под действием этой силы тела деформируются вот эта сила например можно подвесить или поставить гику просто на это тело это деформация из него анти мы говорили только что о том что любую деформацию можно представить себе как комбинацию сдвига и растяжение-сжатие давайте посмотрим что будет здесь давайте рассмотрим небольшой участок вот этого тела вот как он выглядит этот небольшой участок посмотрите вот модель этого тела что будет с расстояние между атомными плоскостями если я это тело согнул внизу расстояние между атомами плоскости на увеличится верха уменьшится значит нижняя часть растянута а верхние зажата то есть деформация изгиба это комбинация сжатие и растяжение самое интересное то что здесь есть некая поверхность которая не испытывает ни растяжение и сжатие вот это нейтральная поверхность митральная поверхность если эта поверхность не испытывает ни растяжение и сжатие расстояние между атомами не меняются то тогда она оказывается не деформированы и значит там не возникает никаких механических напряжений когда мы можем ее просто так же мы можем ее просто удалить из тела и это никак не скажется на прочности и упругих свойствах этого тела почти никак не скажется но зато при этом уменьшится масса расход материала при сохранении практически стопроцентно прочности поэтому при конструировании различных устройств поступают как правило следующим образом но давайте посмотрим на это тело с этой стороны нейтральная поверхность вот она лук вид отсюда вот нейтральную поверхность мы можем удалить этот материал и при этом по отношению к вот такой деформации изгиба тело практически сохранить свои упругие свойства удалить этот материал можно различными способами например вот так можно вот так можно вот так это называется труба какой такой профиль называется двутавр похоже на две буквы то я вот верхняя половинка и нижняя половинка а это швеллер скажите где нибудь вы видели такие формы такие bow строительные балки если пойти на стройку посмотреть из чего делают дома их делают из двутавров и швеллеров из труб они легче но при той же самой прочность представьте себе велосипед у которого храма не трубчатая он был бы жутко тяжелый а самолет если бы его делали не из трубчатых набирали не из трубчатых конструкций из сплошных он бы просто не смог подняться воздух кстати а где вы встречали еще деформацию сдвига смотрите допустим у вас есть две пластины соединенные заклепками скреб она и вот так и одна пластина подвергается действием силы в эту сторону а другую пластину тянут в эту сторону сами заклепки при этом вот здесь испытывают деформацию сдвига если потянуть очень сильно здесь может быть сдвиг настолько сильный что атомы скользнуть от ровной плоскости материала одни начнут проскальзывать относительно других это уже будет называться разрушению вот такое нет разрушений является срезом говорят заклепки срезала а где мы используем в быту такую деформацию причем на уровне когда происходит разрушение когда мы пользуемся ножницами дамы что-то режем ножницами то как раз мы вызываем деформацию сдвига настолько сильную что материал не выдерживает и разрушаемся применяется деформация сборе деформации растяжения и сжатия где встречаются тросы веревки канадкой испытывают информацию растяжения колонны строительных поддерживающие на портик дома деформация сжатие следующий вид деформации это деформация кручения выяснили что изгиб это комбинация растяжения и сжатия а вот теперь смотрим последний вид деформации кручения допустим у нас есть тело имеющую форму цилиндра и мы его приклеим приварим прикрепим к какой-то основе чтобы было видно как деформируются тело покрасим его полосками направленными вдоль оси цилиндра и теперь давайте приложим к делу не силу а пару сил если мы приложим просто силу в горизонтальном направлении это вызовет деформацию сдвига а что такое поросил вспоминаем 9 класс это две силы направлены в противоположную сторону не лежащие на одной прямой и равные поможет приложим пару сил одну силу пусть она действует сюда а вторую силу пусть она действует сюда такая же по модулю сила мечты эти две силы вызову деформацию кручения при этом заметить ее можно глядя на вот эти линии они перестанут быть вертикальными они вот так наклоняться вот эта деформация кручения мы с вами говорили о том что любую деформацию можно свести к растяжению и сжатию или сдвигу а что из себя представляет собой деформации отключения давайте ее сейчас здесь воспроизведем вот деформация кручения скажите пожалуйста в плоскости смещаются в направлению параллельным плоскостям или перпендикулярным параллельно значит кручение это разновидность сдвига рада величина сдвига разная на разных расстояниях от оси вращения с краю сдвиг больше угол сдвига с краю больше а ближе к центру вот здесь меньше радиус да здесь угол сдвига меньше поэтому такой сдвиг называется неоднородным сдвигов любой вид деформации можно разложить на растяжение сжатия и сдвиг есть целый раздел механики которое называется теория упругости у физиков это называется теории упругости он позволяет рассчитать деформацию тел если известна как например хроническое напряжение если известна как деформирована тело в любых случаях технических вузов этот раздел называется сопротивление материалов это очень сложная наука и и очень не любят студенты например политехнического института сейчас называется университет они называют сопромат за промыть потому что сдать этот предмет очень сложно он довольно-таки сложно поэтому мы на следующем уроке коснемся только с самых простых видов деформации но о чем пойдет речь узнаете через пять минут перерыв

Какими бывают виды деформации

Деформация — это смещение или нарушение связей между атомами. Она появляется, если на предмет воздействуют сторонние силы: температура, давление, конкретная нагрузка, магнитное или электрическое поле. Основные виды деформации — обратимая и необратимая. Обратимая деформация, в физике называемая упругой деформацией, означает, что нарушение связей между атомами незначительное и структура по целостности не нарушена. Имеющие такое свойство предметы называют упругими. Необратимая деформация в физике называется пластической деформацией и означает серьезное нарушение связей в атомах и, как следствие, целостности структуры. Предметы с такими свойствами называются пластичными.

 

Нарушение атомной связи — это не всегда плохо. К примеру, демпфирующие (гасящие колебания) детали должны иметь пластичность. Это необходимо для превращения энергии удара в энергию деформирования. Существуют следующие виды деформации твердых тел: изгиб, растяжение/сжатие, кручение и сдвиг. В зависимости от характера действующих сил на твердые тела, могут возникать соответствующие напряжения. Эти напряжения называются по характеру силы. Например, напряжение кручения, напряжения сжатия, напряжение изгиба и т.д. Говоря про деформацию, часто по умолчанию подразумевают деформацию твердых тел, т.к. изменение структуры у них наиболее выражено.

 

По сути, все виды деформации — это результат влияния напряжения, создаваемого действующей силой. В чистом виде деформация встречается редко. Как правило, итоговая деформация — это результат разнообразных напряжений. В итоге все они приводят к двум основным деформациям — растяжения/сжатия и изгиба.

 

Физически деформация — это результат, который выражается в количественном и качественном эквиваленте. Количественно данное явление выражается в числовом значении. Качественно — в характере проявления (направлении, критических моментах, таких как разрушение, предельное напряжение…). Возможная деформация предварительно просчитывается в прочностном расчете при проектировке любого устройства или механизма.

 

Как правило, нагрузки и результат деформации отображаются в виде графиков — эпюр напряжений. Структура такого графика: расчетная схема с приложенными нагрузками, виды напряжений и виды деформации. Распределение нагрузок дает понимание о характере нагруженности работы устройства или элемента, деформации. Результаты деформации — растяжение, сжатие, изгиб, скручивание — измеряются в единицах измерения расстояния (мм, см, м) или угловой мерой (градусы и радианы). Основная задача расчета — определить предельные деформации и напряжения во избежание нарушения работоспособности — разрыва, сдвига, перелома и прочее. Также важен характер напряжения и числовое значение, т.к. существует понятие усталостная деформация.

 

Усталостная деформация — это процесс изменения формы вследствие долгих нагрузок. Они со временем из некритических напряжений (постоянного незначительного нарушения межатомных связей) перерастают в серьезные последствия. Это понятие называется накопленная усталость и регламентируется таким параметром (из физических свойств материала), как усталостная прочность.

 

Для того, чтобы учесть влияние, которое оказывают различные виды деформации на функциональность и ресурс, проводят натурные испытания образцов материалов. Из опыта получают все прочностные характеристики для каждого материала, которые потом становятся табличными значениями. В эру компьютерной техники такой анализ проводится на мощных ПК. Но все равно свойства материала можно узнать только из натурных испытаний. Уже закладывая все характеристики и свойства в расчетную модель, прочнист получает графическую модель (иногда в динамике работы) всех напряжений и деформаций.

 

В машиностроении такой расчет уже заложен в программы по 3D-проектированию. Т.е. проектировщик выполняет 3D-модель всех элементов, каждую из которых сводят в модель узла. Прикладывая нагрузки в отдельном модуле программы, проектировщик получает объемную картину характера напряжений и всех видов деформации.

Силы, деформации, напряжения и связь между ними

Силы, деформации, напряжения и связь между ними

Категория:

Деформации при сварке

Силы, деформации, напряжения и связь между ними

Прочностью металла называют способность его сопротивляться разрушению под действием сил.

Силы подразделяют на внешние и внутренние. Внешние силы создаются от постоянной нагрузки: вес изделия, давление газа в сосуде, предварительное натяжение элемента, например, арматурного стержня в железобетоне и от временной нагрузки: вес снега на крыше здания, ветер, создающий нагрузку на стену сооружения, сейсмические воздействия и др.

Рис. 1. Изменение длины стержня при возрастании нагрузки: Р, Р1 — силы, действующие на стержень

Рис. 2. Диаграмма растяжения стали: (Уу— предел упругости, <гт— предел текучести, бв — временное сопротивление растяжению

Внутренние силы возникают от изменения температуры изделия при эксплуатации, изменения структуры металла под действием внешней нагрузки или при сварке, или от действия тех и других. В расчетах на прочность внутреннюю силу часто называют усилием.

Внешние нагрузки бывают статическими (постоянными в процессе эксплуатации изделия), динамическими (переменными по величине и направлению) и ударными. Динамические знакопеременные нагрузки называются также вибрационными. Внутренние силы носят изменяющийся характер.

Деформацией называется изменение формы и размеров тела под действием внешней или внутренней силы. Допустим, что к концам стержня длиной L (рис. 1) приложены силы, возрастающие от Р до Р\, растягивающие его.

При растяжении стержня постоянного сечения величина деформации определяется действующей силой. Чем больше сила, тем больше вызываемая ей деформация.

Напряжением называют силу, отнесенную к единице площади ррперечного сечения тела. Сила измеряется в кгс, площадь в мм2 или см2,, а напряжение в кгс/мм2, кгс/см2.

Различают напряжения растяжения, сжатия, изгиба, кручения и среза.

Деформации могут быть упругие и пластические. Если форма и размеры тела восстанавливаются после прекращения действия силы, то такая деформация будет упругой. Для образца из низкоуглеродистой стали, в котором действует постоянно возрастающее напряжение, деформация в виде относительного удлинения 6% остается упругой до тех пор, пока сила не превысит некоторый предел, называемый пределом упругости. Точкой С на диаграмме отмечена сила (или напряжение), при которой появляется деформация, остающаяся” после снятия нагрузки,— пластическая деформация. Эту точку называют пределом текучести ат.

Упругая деформация по величине весьма незначительна. Для низкоуглеродистых сталей она не превышает 0,2%. Следовательно, любое усилие, вызывающее относительное удлинение менее 0,2’%, приводит лишь к упругой деформации, которая сразу же исчезает при прекращении действия приложенного усилия.

Пластическая деформация сильно увеличивается, если напряжение превышает предел упругости. Например, если напряжение в детали из стали СтЗ превысит предел упругости на 1 кгс/мм2, относительное удлинение возрастет с 0,2 до 2%.

При повышении температуры стали предел упругости и предел текучести понижаются, следовательно, пластическая деформация возникает при меньших напряжениях или усилиях, чем в холодном металле (рис. 3). Из рисунка видно, что предел текучести при температуре 0 °С, равный 25 кгс/мм2, при температуре 400 °С понижается до 15 кгс/мм2, а при 600 °С до 6 кгс/мм2. При темпе ратуре выше 600 °С предел-текучести становится настолько малым что достаточно совсем небольшого усилия для возникновения остаточной деформации.

Рис. 3. Влияние температуры на величину предела текучести стали

Реклама:

Читать далее:

Возникновение напряжении и деформаций при сварке

Статьи по теме:

Напряжение и деформация

Количественные понятия: тригонометрия, построение графиков

---

^{доктора Кэрол Орманд (Университет Висконсина, Мэдисон) и доктора Эрика Баера (Общественный колледж Хайлайн)}
Перейти вниз к: конструкции | Условия деформации | Неисправности | Аналоги | Примеры обучения | Ресурсы

Основные понятия

Есть 5 основных понятий, с которыми учащиеся борются, думая о стрессе и напряжении:

1. деформация горных пород,
2. напряжение вызывает деформацию, а деформация приводит к деформации конструкций,
3. разные физические условия создают разные структуры,
4. вывод напряжения от разломов и
5. связь между аналогами и реальностью.

Камни деформируются

Многим учащимся трудно понять, что камни могут гнуться или ломаться. Им также может быть трудно представить себе силы, необходимые для образования складок или разломов горных пород, или понять, что кажущаяся неизменной Земля может резко измениться с течением времени. Особенно это касается студентов, проживающих в тектонически стабильных районах. Если учащиеся должны понять основы стресса и напряжения, они должны преодолеть этот барьер, поскольку будет трудно исследовать причины и условия деформации, если учащиеся не могут понять деформацию.Часто бывает полезно предложить учащимся создать аналоговые модели структур, представленных на фотографиях камней или образцах рук.

Вот изображение структуры, известной как будинаж (названный в честь французского слова, обозначающего кровяную колбасу — обратите внимание на структуру, похожую на колбасу). Можете ли вы сделать аналогичную структуру с помощью Silly Putty®? Какая скорость деформации необходима для создания чего-то подобного (получите ли вы тот же результат, если разобрать его быстрее или медленнее)? Будет ли работать лучше, если ваша Silly Putty® теплая или холодная? Как вы думаете, будет ли такой же результат с пластилином PlayDoh® или тестом для печенья? Влияет ли количество Silly Putty® на то, насколько легко вы сможете воспроизвести структуру? Все эти условия могут быть перенесены на горные породы — скорость деформации, температура, тип материала, масштаб — и влияют на типы структур, которые обнаруживаются в горных записях.

Для того, чтобы показать учащимся, что горные породы деформируются, можно использовать изображения и ручные образцы реальных пород с разломами и складками в различных масштабах. Существует несколько хороших коллекций таких типов изображений, таких как Всемирный банк изображений AGI Earthscience, коллекция Мартина Миллера или набор слайдов «Разломы» Национального центра геофизических данных.

Напряжение вызывает деформацию, деформация приводит к структурным изменениям

Многие геологи считают важным для начинающих студентов понять, что видимые структуры являются записью напряжения и физических условий в Земле.В результате различия между напряжением, деформацией и структурами, образующимися при деформации, становятся ключевыми понятиями.

• Напряжение — это сила, действующая на горную породу на единицу площади. Оно имеет те же единицы измерения, что и давление, но также имеет направление (т. е. является вектором, как и сила). Различают три вида напряжения: сжатие, растяжение и сдвиг. Стресс может вызвать деформацию, если она достаточна для преодоления силы объекта, находящегося под нагрузкой.
• Деформация — это изменение формы или размера в результате приложенных сил (деформация).Камни деформируются только при нагрузке. Любой камень можно растянуть. Деформация может быть упругой, хрупкой или вязкой. Пластическая деформация также называется пластической деформацией.
• Конструкции в геологии представляют собой элементы деформации, возникающие в результате постоянного (хрупкого или пластического) напряжения. Примеры включают складки и разломы. Геологи используют эти функции, чтобы определить тип напряжения, которому подвергалась порода, а также условия напряжения, которое она испытала (или испытала, в зависимости от вашей точки зрения).

После показа изображений деформированных горных пород предоставление учащимся возможности создать свои собственные «структуры» с помощью Play-Doh®, Silly Putty® или другого геологического аналога материала помогает им понять концепции, лежащие в основе напряжений и деформаций, и позволяет им исследовать отношения между напряженно-деформированные и деформационные конструкции. Студенты могут поэкспериментировать с типами нагрузки и скоростью деформации, необходимой для того, чтобы аналоги сломались или погнулись. В качестве альтернативы они могут использовать структуры в аналоге для определения напряжений и скоростей деформации после создания «структуры».См. Камни деформируют выше для примера того, как ученики создают будины.

Стресс, напряжение и структура начинаются с одних и тех же трех букв, но означают совершенно разные вещи. Эти слова также используются в геологии иначе, чем в обычном употреблении в английском языке, что может вызвать путаницу. Тем не менее, вот некоторые приемы, которые я использую для запоминания:

• Стресс — это то же самое, что и давление. Когда вы находитесь под давлением, вы испытываете стресс!
• Стресс может возникнуть без напряжения, но напряжение не может произойти без напряжения.

Посмотрите на этот камень, который я сжимаю в руке.

• Это стресс? (Да, он находится под давлением. )
• Он натянут? (Нет, форма не изменилась.)

А теперь посмотрите на этот камень со складкой.

• Находится ли он в состоянии стресса? (Нет, не под давлением).
• Напрягает? (Нет, в настоящее время он не меняет форму.)
• Имеет ли он структуру? (Да, есть складка.)

В дополнение к Silly Putty® и Play-Doh®, деревянные блоки с нарисованными слоями или резервуар для сжатия/сжатия, заполненный слоистым песком или хлопьями для завтрака, также хорошо моделируют структурные элементы.Аналоги, однако, трудно масштабировать должным образом (как во времени, так и в пространстве) до гигантских масштабов, в которых формируются геологические структуры. Студенты могут по-прежнему испытывать трудности с пониманием огромных масштабов сил, необходимых для изгиба или разрушения горных пород, и длительных масштабов времени, необходимых для создания структур. Убедитесь, что вы ясно даете понять своим ученикам, что эти подводные камни существуют. Более подробные идеи для аналогов доступны на веб-странице материалов-аналогов преподавания структурной геологии.

После того, как учащиеся усвоили взаимосвязь между напряжением, напряжением и структурой, я разрабатываю таблицу 3 x 2 различных структур, которые формируются в различных условиях напряжения и напряжения.Затем я приступаю к заполнению таблицы с помощью студентов.

Давайте посмотрим, какие особенности обнаруживаются при различных стрессовых условиях и при различных стилях деформации. Мы сделаем это, сделав таблицу. Какие три типа стресса существуют? Сжатие, растяжение и сдвиг. Теперь, каковы 2 типа остаточной деформации? Пластичный и хрупкий. Давайте составим таблицу из трех столбцов и двух строк и заполним ее соответствующими структурами! Когда мы закончим, у нас должно быть 6 видов элементов деформации.

Теперь проверьте, сможете ли вы сделать все это с помощью пластилина Play-Doh® или кубиков.

Различные условия приводят к различным стилям деформации

Существует множество факторов, влияющих на характер деформации горной породы, включая давление, температуру, состав горной породы, наличие или отсутствие флюидов, тип напряжения, скорость напряжения и другие. Однако тип стресса, уровень стресса и температура могут быть наиболее важными факторами для большинства начинающих студентов.

Silly Putty® — это материал, который, как и камни, может пластически или хрупко деформироваться. Что контролирует, как он будет деформироваться?

• Температура: Холодная замазка легко ломается, но теплая замазка очень пластична.
• Скорость деформации: если быстро разорвать, то он сломается, а если тянуть медленно, то он вытянется (пластически деформируется).
• Тип стресса: наконец, выберите сильного ученика и попросите его или ее попытаться сломать дурацкую замазку, используя сжимающее напряжение.Как видите, это практически невозможно. Теперь попросите одного из учеников сломать его, используя напряжение. Это намного проще. Большинство материалов легче ломаются (или иным образом деформируются) при растяжении, чем при сжатии; мы говорим, что они слабее при растяжении или сильнее при сжатии.

Температура, скорость деформации и тип напряжения также являются ключевыми факторами деформации ледников. Это дает возможность вернуться к этим концепциям позже в термине.

Отношение разломов к напряжению — висячие стены, подошвы и различные типы разломов

Одна из целей структурной геологии состоит в том, чтобы связать характер деформации с вызвавшим ее напряжением.Поэтому важно, чтобы учащиеся могли различать нормальные разломы (созданные растяжением) и обратные разломы (созданные сжатием).

Деревянные блоки являются ценным инструментом для изучения нормальных и обратных разломов. Используя три блока, срезанных под углом, можно создать горсты и грабены. Раздвиньте блоки, чтобы создать грабен; столкните их вместе, чтобы сделать хорс. Преимущество использования 3-х блоков состоит в том, что учащиеся видят, что важна не ориентация разлома, а движение по разлому.Поскольку они могут видеть, расширяю я блоки или сжимаю их, у них развивается интуитивное чувство разницы между нормальными и обратными разломами. Тем не менее, учащимся, как правило, все же необходимо изучить разницу между висячей стенкой и подошвой разлома, чтобы иметь возможность точно определить, является ли разлом нормальным или обратным, и какое напряжение вызвало его.

Разломы — это места, где скалы были разбиты и смещены. Нередки случаи, когда флюиды во время деформации текли по разрыву, оставляя ценные полезные ископаемые вдоль разлома.В результате многие шахты строятся вдоль поверхностей разломов. Из-за этого одна сторона разлома называется висячей стеной (поверхность, на которой будет висеть шахтерский фонарь), а другая сторона называется подошвой (поверхность, по которой будет ходить шахтер).

Вот еще один способ. подумайте об этом: блок висячей стены всегда выше плоскости разлома, а блок подножия всегда ниже плоскости разлома. Чтобы увидеть это, поставьте точку на разломе и нарисуйте вертикальную стрелку, направленную вверх.Эта стрелка указывает на висячую стену. Стрелка, указывающая прямо вниз, указывает на подошву. Взгляните на слайд, на котором показана неисправность и стрелки, указывающие на движение. Некоторые студенты думают, что подошва выглядит как ступня. Видите, как висячая стена опирается или висит на стенку?

Как только учащиеся поймут разницу между висячей стенкой и подошвой, большинство из них с легкостью запомнит, что при взбросе висячая стенка движется вверх, указывая на сжатие, а при нормальном разломе висячая стенка движется вниз, указывая на растяжение.

Как видно из этих блочных моделей, горизонтальные силы могут вызывать перемещение горных пород вдоль разломов, расположенных под углом к ​​слою горных пород. Учитывая эту идею, ваши ученики могут использовать некоторые основные тригонометрические функции для изучения взаимосвязи между горизонтальной деформацией (величиной растяжения или укорочения в горизонтальном направлении) и смещением на поверхности разлома (величиной движения самой разлома). Поскольку это соотношение зависит от угла разлома относительно горизонтали, угол разлома является критическим компонентом того, как разломы приспосабливаются к укорочению или расширению.

Сиэтлский разлом — это большой обратный разлом, который пересекает Сиэтл, штат Вашингтон, столичный район и его почти 2 миллиона жителей. Сиэтлский разлом укорачивается примерно на 1 миллиметр в год. Однако из-за того, что сама плоскость разлома плохо обнажена и/или не различима на сейсмических профилях, мы не знаем, какой угол этот разлом образует с горизонталью. Если разлом пологий, около 25 градусов от горизонтали, то для размещения укорочения на 1 мм он должен сместиться на 1.в среднем 1 мм/год. Однако, если он находится под более крутым углом 60 градусов, ему нужно будет двигаться в среднем на 2 мм в год. Поскольку смещение по разлому является основным фактором, определяющим магнитуду землетрясения (см. страницу о землетрясениях), разлом Сиэтла должен будет двигаться либо в два раза чаще, либо вызывать гораздо более сильные землетрясения, если он находится под крутым углом. Косинус (A) = горизонтальная скорость сокращения/скорость смещения по разлому, где A — угол, который образует разлом с горизонталью. Находя скорость смещения по разлому, получаем скорость смещения = скорость укорочения / Cos(A).Таким образом, для 25-градусного разлома, который соответствует укорочению на 1 мм/год, скорость смещения составит 1/cos (25) мм/год, или 1,1 мм/год. Для разлома под углом 60 градусов скорость смещения составит 1/cos(60) мм/год или 2 мм/год.

Соотнесение аналогов с реальной Землей

Мы часто используем аналогии и аналоговые материалы (замазка, песок, деревянные блоки и т. д.), чтобы проиллюстрировать концепции напряжения, деформации и деформации горных пород. Однако учащиеся иногда испытывают трудности с соотнесением этих материалов и их поведения с Землей и реальными камнями.Для этих студентов может быть полезно обсудить скорости и величины деформации в Земле и различия между горными породами и материалами-аналогами. Например, породы на границах плит часто деформируются на несколько сантиметров в год, но действующих на них сил достаточно, чтобы сдвинуть континенты. Размер и медлительность этих процессов являются важной концепцией для общения, даже если они находятся в масштабе, который почти невозможно понять. Иногда я говорю студентам, что их ногти растут примерно с той же скоростью, что и пластины, чтобы помочь им преодолеть эту трудность.

Пластины перемещаются примерно с той же скоростью, что и ваши ногти, на несколько сантиметров в год. Хотя это кажется медленным, в течение длительных периодов времени это действительно складывается. Например, если бы вы позволили своим ногтям расти 100 миллионов лет, их длина составила бы около 4000 километров!

Примеры обучения

• Суставы в аналоге кукурузного крахмала
Высушенная смесь кукурузного крахмала и воды обеспечивает интерактивное введение в суставы и наборы суставов. Учащиеся интерпретируют относительный возраст, изучают углы пересечения, используют текстуры поверхности для определения направления распространения и оценивают роль дефектов в возникновении соединений.
• Основы перелома: дрянной аналог
В этом упражнении учащиеся делают небольшие надрезы (зародыши трещин) в продуктах из плавленого сыра, а затем прикладывают нагрузку перпендикулярно или параллельно надрезам, чтобы увидеть, как растут трещины. Удивительно (или нет, в зависимости от ваших предыдущих мыслей о сыре), продукты из плавленого сыра ломаются почти так же, как и однородные камни.
• Развитие систем нормальных разломов при прогрессирующей деформации
Это упражнение основано на фильмах QuickTime и цветных цифровых фотографиях, полученных в результате экспериментов в песочнице, которые производят нормальные ошибки в различных граничных условиях после экспериментов, разработанных Кеном Макклеем.Студенты просматривают специально отредактированные фильмы, чтобы получить представление об эволюции систем нормальных отказов. Затем они исследуют формирование и эволюцию системы разломов для конкретной структурной установки, отслеживая и обозначая отдельные разломы на наборе фотографий, сделанных через равные промежутки времени в ходе эксперимента. Это упражнение помогает учащимся осознать возникновение, распространение, вращение и инактивацию неисправности во время прогрессирующей деформации.
• Анализ трещин на тротуарах
Используя трещины на тротуарах в качестве аналога природных обнажений, учащиеся учатся проводить систематические наблюдения, измерять ориентацию и расположение трещин, обрабатывать и анализировать данные, а также решать некоторые кинематические и динамические вопросы, касающиеся происхождения и значения трещин.

Ресурсы

• Преподавание структурной геологии в XXI веке
Этот сайт содержит множество ресурсов для преподавателей, преподающих структурную геологию на бакалавриате. Вы найдете ссылки на мероприятия и задания, Интернет и компьютерные ресурсы, полезные статьи и карты, презентации летнего семинара 2004 г. по преподаванию структурной геологии, рабочие группы и дискуссионный форум, а также множество творческих идей для преподавания структурной геологии.
• 3D-визуализация деформации конструкции
GeoBlocks 3D, созданный Стивом Рейнольдсом, содержит интерактивные фильмы QuickTime Virtual Reality (QTVR), исследующие трехмерную природу геологии, в частности геологические структуры внутри блоков. Вы можете вращать блоки, делать их частично прозрачными, чтобы увидеть их внутреннюю структуру, прорезать или разъедать их, смещать разломы и многое другое.
• Структурная геология горных пород и регионов (вводная глава)
Этот учебник Дэвиса и Рейнольдса является наиболее широко используемым учебником по структурной геологии согласно недавнему обзору. Вводная глава может быть полезна преподавателям при размышлениях о том, как преподавать этот раздел вводного занятия, поскольку в ней рассматриваются три основных способа изучения деформаций геологами-строителями: геометрический анализ, кинематический анализ и динамический анализ.
• Веб-страница Стива Рейнольдса
Эта страница содержит множество инструментов визуализации и других ресурсов, разработанных и собранных Стивом Рейнольдсом, профессором геологии Университета штата Аризона.
• Курсовые ресурсы по структурной геологии в Интернете
Каталог курсов с онлайн-ресурсами или веб-страницами

7.3: Напряжения в земной коре

ВВЕДЕНИЕ

Огромные плиты литосферы неравномерно перемещаются по сферической поверхности планеты, что приводит к землетрясениям. В этой главе рассматриваются два типа геологической активности, возникающей из-за тектоники плит: горообразование и землетрясения. Сначала рассмотрим, что может произойти с горными породами при воздействии на них напряжения.

ПРИЧИНЫ И ВИДЫ НАПРЯЖЕНИЙ

Напряжение — сила, приложенная к объекту. В геологии напряжение — это сила, приложенная к скале на единицу площади.На материалы действуют четыре вида напряжений.

Рис. 1. Напряжение вызвало разрушение этих пород.

• Глубоко зарытый камень продавливается под весом всего материала над ним. Поскольку камень не может двигаться, он не может деформироваться. Это называется ограничивающим напряжением .
• Сжатие сжимает горные породы, вызывая их складывание или растрескивание (раскол) (рис. 1). Сжатие является наиболее распространенным напряжением на сходящихся границах плит.
• Разорванные камни находятся под натяжением .Камни под напряжением удлиняются или разрушаются. Растяжение является основным видом напряжения на расходящихся границах пластин.
• Когда силы параллельны, но движутся в противоположных направлениях, напряжение называется сдвигом (рис. 2). Напряжение сдвига является наиболее распространенным напряжением на границах трансформных плит.

Когда напряжение вызывает изменение формы материала, он подвергается деформации или деформации . Деформированные породы распространены в геологически активных районах.

Рисунок 2. Сдвиг в горных породах. Белая кварцевая жила удлинилась за счет сдвига.

Реакция породы на нагрузку зависит от типа породы, окружающей температуры и давления, в которых находится порода, продолжительности времени, в течение которого порода находится под нагрузкой, и типа нагрузки.

Камни имеют три возможных реакции на увеличение напряжения (показаны на рис. 3):

• упругая деформация : камень возвращается к своей первоначальной форме после снятия напряжения.
• пластическая деформация : порода не возвращается к своей первоначальной форме после снятия напряжения.
• перелом : скала ломается.

Рис. 3. С ростом напряжения горная порода испытывает: (1) упругую деформацию, (2) пластическую деформацию, (3) разрушение.

Как вы думаете, при каких условиях горная порода более склонна к разрушению? Скорее всего, он сломается глубоко в земной коре или на поверхности? Что, если приложенное напряжение будет резким, а не постепенным?

• На поверхности Земли горные породы обычно довольно быстро разрушаются, но глубже в земной коре, где температура и давление выше, горные породы более склонны к пластической деформации.
• Внезапный стресс, например удар молотком, с большей вероятностью приведет к разрушению камня. Напряжение, приложенное с течением времени, часто приводит к пластической деформации.

ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ СТРУКТУРЫ

Осадочные породы важны для расшифровки геологической истории региона, поскольку они подчиняются определенным правилам.

1. Осадочные породы образованы самыми старыми слоями на дне и самыми молодыми наверху.
2. Отложения откладываются горизонтально, поэтому слои осадочных пород изначально горизонтальны, как и некоторые вулканические породы, такие как пеплопады.
3. Негоризонтальные слои осадочных пород деформируются.

Вы можете проследить деформацию камня, увидев, как он отличается от своего первоначального горизонтального положения, самого старого на дне (рис. 4а). Эта деформация создает геологические структуры, такие как складки, трещины и разломы, которые вызваны напряжениями (рис. 4b). Используя правила, перечисленные выше, попытайтесь выяснить геологическую историю нижележащей геологической колонки.

Рис. 4. (a) В Гранд-Каньоне слои породы обнажаются, как слоеный пирог.Каждый слой состоит из отложений, отложившихся в определенной среде — возможно, на дне озера, мелководье или песчаной дюне. (b) В этой геологической колонке Гранд-Каньона осадочные породы колонки «Слоистые палеозойские породы» (слои с 1 по 11) все еще горизонтальны. Скалы супергруппы Гранд-Каньона (слои с 12 по 15) наклонены. Скалы фундамента Вишну не являются осадочными (породы с 16 по 18). Самые старые слои находятся внизу, а самые молодые — вверху.

Складки

Породы, пластически деформирующиеся под действием сжимающих напряжений, сминаются в складки (рис. 5).Они не возвращаются к своей первоначальной форме. Если скалы испытывают большее напряжение, они могут подвергаться большему складчатости или даже разрушению.

Рис. 5. Снег подчеркивает складку, обнаженную на этих скалах в каньоне Прово, штат Юта.

Видны три типа складок.

• Моноклиналь: Моноклиналь представляет собой простой изгиб слоев горной породы, так что они перестают быть горизонтальными (см. пример на рис. 6).
  
  Рис. 6. В Национальном монументе Колорадо камни моноклинально погружаются к земле.
• Антиклиналь: Антиклиналь представляет собой складку, изгибающуюся вверх. Скалы падают от центра складки (рис. 7). Самые старые породы находятся в центре антиклинали, а самые молодые накинуты на них.
  
  Рис. 7. (а) Схема антиклинали. (б) Антиклиналь, обнажившаяся в выемке дороги в Нью-Джерси.

Когда скалы изгибаются вверх, образуя круглую структуру, эта структура называется куполом . Если вершина купола срезана, где находятся самые старые камни?

• Синклиналь: Синклиналь представляет собой складку, изгибающуюся вниз.Самые молодые камни находятся в центре, а самые старые — снаружи (рис. 8).
  

Когда скалы изгибаются вниз, образуя круглую структуру, такая структура называется бассейном (рис. 9). Если породы обнажены на поверхности, то где находятся самые древние породы?

Рисунок 9. Бассейны могут быть огромными. Это геологическая карта Мичиганского бассейна, центр которого находится в штате Мичиган, но который простирается на четыре других штата и канадскую провинцию.

Разломы

Скала при достаточном напряжении разрушается. Если с обеих сторон перелома нет движения, перелом называется суставом , как показано на (рис. 10).

Рис. 10. Гранитные породы в национальном парке Джошуа-Три с горизонтальной и вертикальной трещиноватостью. Эти соединения образовались, когда ограничивающее напряжение было снято с гранита.

Если блоки горных пород на одной или обеих сторонах трещины смещаются, трещина называется разломом (рис. 11).Внезапные движения вдоль разломов приводят к внезапному разрушению и перемещению горных пород. Высвобожденная энергия представляет собой землетрясение.

Рис. 11. Разломы легко распознать, поскольку они пересекают пластовые породы.

Скольжение — расстояние, на которое горные породы перемещаются по разлому. Скольжение может быть вверх или вниз по плоскости разлома. Скольжение является относительным, потому что обычно невозможно узнать, сдвинулись ли обе стороны или только одна. Разломы залегают под углом к ​​горизонтальной поверхности Земли. Этот угол называется падением разлома . Провал определяет, к какому из двух основных типов относится неисправность. Если падение разлома наклонено относительно горизонтали, то разлом является падающим сбросом (рисунок 12). Различают два типа наклонно-сдвиговых разломов. В сбросах висячий борт опускается относительно подошвенного борта. В взбросах подошвенный борт опускается относительно висячего бока.

Рисунок 12. На этой диаграмме показаны два типа сбросов с наклоном: нормальные сбросы и взбросы.Представьте, что майнеры добывают ресурс по разлому. На подвесной стене шахтеры вешали свои фонари. Стена для ног — это то место, где они могли бы пройти.

Вот анимация нормальной неисправности.

Надвиг представляет собой тип взброса, в котором угол наклона плоскости разлома почти горизонтален. Камни могут скользить на многие мили по надвигам ( Рисунок 13 ).

Рис. 13. В Чиф-Маунтин в Монтане верхние породы надвига Льюиса более чем на 1 миллиард лет старше нижних пород.Как такое могло произойти?

Вот анимация надвига.

Обычные ошибки могут быть значительными. Они несут ответственность за поднятие горных хребтов в регионах, испытывающих напряжения растяжения (рис. 14).

Рис. 14. Хребет Тетон в Вайоминге поднялся вдоль нормального разлома.

Сдвиг представляет собой наклонно-сдвиговый разлом, в котором падение плоскости разлома является вертикальным. Сдвиговые разломы возникают в результате касательных напряжений (рис. 15).

Рис. 15.Представьте, что вы стоите одной ногой по обе стороны от сдвигового разлома. Один блок движется к вам. Если этот блок смещается к вашей правой ноге, разлом является правосторонним сдвигом; если этот блок движется к вашей левой ноге, ошибка является левосторонним сдвигом.

Разлом Сан-Андреас в Калифорнии — самый известный сдвиговый разлом в мире. Это правосторонний сдвиг (рис. 16).

Рис. 16. Сан-Андреас — массивный трансформный разлом.

Вот анимация сдвигового разлома.

Люди иногда говорят, что Калифорния когда-нибудь упадет в океан, но это неправда. Эта анимация показывает движение Сан-Андреас в будущее.

НАПРЯЖЕНИЕ И СТРОЕНИЕ ГОР

Две сходящиеся континентальные плиты сталкиваются вверх, образуя горные хребты (рис. 17). Напряжения от этого поднятия вызывают складки, взбросы и надвиги, которые позволяют земной коре подниматься вверх.

Рис. 17. (а) Самая высокая горная цепь мира, Гималаи, растет в результате столкновения Индийской и Евразийской плит.(б) Смятие Индийской и Евразийской плит континентальной коры создает Гималаи.

Субдукция океанической литосферы на границах конвергентных плит также образует горные хребты (рис. 18).

Рисунок 18. Анды представляют собой цепь континентальных дуговых вулканов, которые формируются по мере того, как плита Наска погружается под Южно-Американскую плиту.

Когда напряжения растяжения растягивают кору, она распадается на блоки, которые скользят вверх и вниз по нормальным разломам.В результате чередуются горы и долины, известные как бассейн и хребет (рис. 19).

Рис. 19. (a) В бассейне и хребте некоторые блоки поднимаются, образуя хребты, известные как горсты, а некоторые опускаются, образуя бассейны, известные как грабены. (б) Горы в Неваде имеют классическую форму котловины и хребта.

Это очень быстрая анимация движения блоков в бассейне и диапазоне.

РЕЗЮМЕ УРОКА

• Напряжение — это сила, приложенная к скале, которая может вызвать деформацию.Для трех типов границ плит характерны три основных типа напряжений: сжатие на сходящихся границах, растяжение на расходящихся границах и сдвиг на трансформных границах.
• Там, где горные породы пластически деформируются, они склонны к складчатости. Хрупкая деформация приводит к трещинам и разломам.
• Существует два основных типа разломов: сдвиговые (плоскость разлома наклонена к горизонтали) и сдвиговые (плоскость разлома перпендикулярна горизонтали).
• Крупнейшие в мире горы растут на границах конвергентных плит, главным образом за счет надвигов и складчатости.

ВОПРОСЫ ДЛЯ РАЗМЫШЛЕНИЯ

• Какой навык помогает вам развить этот контент?
• Какие ключевые темы рассматриваются в этом контенте?
• Как содержимое этого раздела может помочь вам продемонстрировать владение конкретным навыком?
• Какие у вас есть вопросы по этому контенту?

Авторы и авторство

Что такое деформация? — Определение, типы и процесс — Видео и стенограмма урока

Как работает деформация

Камни не подвергаются стрессу, как студенты колледжа, но они постоянно находятся под давлением, которое заставляет их со временем менять свою форму. Напряжение определяется как сила, приложенная к площади. Если напряжение приложено равномерно, оно называется ограничивающим напряжением , и горная порода или земная кора не меняют форму. Когда сила не приложена одинаково во всех направлениях , возникает дифференциальное напряжение . Как вы можете видеть на рисунке 2 на экране, существует три типа дифференциальных напряжений, которым могут подвергаться горные породы:

1. Растягивающие
2. Сжатие
3. Прозрачный

Давайте узнаем больше о каждом из этих типов.

Рисунок 3: Напряжение растяжения вызвано растяжением коры в противоположных направлениях.

Напряжение растяжения

Как показано на рисунке 3, напряжение растяжения растягивает горные породы. Со временем это приводит к образованию долин. Напряжение растяжения возникает из-за того, что кора растягивается в противоположных направлениях.

Рисунок 4: При столкновении двух больших кусков породы происходит сжатие.

Напряжение сжатия

Этот тип напряжения формирует высокие горные хребты, такие как Гималаи и горы Смоки.Напряжение сжатия, как показано на рисунке 4, является результатом столкновения двух больших кусков земной коры, таких как две континентальные плиты.

Рисунок 5: Напряжение сдвига вызвано движением двух плит друг относительно друга и приводит к образованию линии разлома, такой как разлом Сан-Андреас.

Напряжение сдвига

Линии разлома являются результатом напряжения сдвига. Как показано на рисунке 5, напряжение сдвига возникает, когда две пластины трутся друг о друга в противоположных направлениях.Касательное напряжение возникает из-за того, что две плиты движутся мимо друг друга, что приводит к образованию линии разлома, такой как разлом Сан-Андреас.

Типы деформации

Реакцию на нагрузку также называют деформацией. Камни будут показывать напряжение, изменяя форму, объем или размер. Если область способна вернуться к своей первоначальной форме после деформации, говорят, что она испытала упругую деформацию . Если область не восстанавливается после изменения формы, она испытала пластическую деформацию .

Поговорим о двух видах деформации:

Рисунок 6: Кривые, видимые в скале, являются результатом пластической деформации.

Когда земная кора складывается или изгибается без разрыва, как вы можете видеть на рисунке 6, это называется пластической деформацией . Кривые, видимые в скале, являются результатом пластической деформации.

Рисунок 7: Стрелки на рисунке показывают трещину в породе в результате хрупкой деформации.

Когда горная порода разрушается под напряжением, это называется хрупкой деформацией. Как видно на рисунке 7, стрелки на рисунке показывают трещину в породе, которая является результатом хрупкой деформации.

Факторы, влияющие на деформацию

Давайте сначала посмотрим на температуру. Температура влияет на деформацию горных пород двумя способами. При более высоких температурах горная порода способна сильнее растягиваться при приложении напряжения.Поскольку горная порода более податлива при высоких температурах, она образует более пластичные структуры. При более низких температурах ближе к поверхности Земли горная порода с большей вероятностью расколется или сломается при напряжении. Это похоже на то, что происходит при нагревании стекла. При комнатной температуре стекло легко разбивается. Когда вы нагреваете стекло, оно становится более гибким, и ему можно придавать форму, не ломаясь, как показано на рис. 8. Земная кора становится более пластичной по направлению к ядру из-за тепла и более хрупкой по направлению к поверхности из-за охлаждения.Изменения температуры также могут вызывать расширение и сжатие горных пород, что приводит к трещинообразованию или хрупкой деформации. Если вы когда-нибудь случайно нагревали на плите посуду из стекла Pyrex, вы видели, как температура может вызвать хрупкую деформацию камня.

Рисунок 8: При более высоких температурах горная порода становится более гибкой или пластичной, и ей можно придавать форму.

Теперь давайте посмотрим на давление. При высоком давлении горные породы с большей вероятностью образуют пластичные структуры, чем хрупкие.На это влияет то, что называется скоростью деформации. Скорость деформации — величина деформации во времени. Более низкие скорости деформации приводят к образованию пластичных структур, а более высокие скорости деформации приводят к разрушению или хрупкости структур. Представьте себе кусок ириски. Если быстро разобрать, то сломается. Если тянуть его медленно, он растянется.

Изгиб или разрушение под нагрузкой

Пластичная и хрупкая деформация земной коры приводит к формированию узоров, наблюдаемых в горах, которые делают нашу планету красивой.Пластичные структуры появляются как складки в земной коре в ответ на горизонтальное давление. Типы складок показаны на рис. 9. Когда горная порода складывается таким образом, что она удаляется от центра, она образует антиклиналь . Когда складка изгибается к центру Земли, ее называют синклиналью .

Рисунок 9: Складки можно разделить на антиклинали и синклинали.

Более сложные структуры могут быть образованы сдвигом или когда боковое давление действует на горную породу, в результате чего антиклинальные и синклинальные складки становятся наклонными или асимметричными. Лежачие складки возникают, когда складка смещается из вертикальной в горизонтальную. Примеры более сложных складок показаны на рисунке 10. На этом рисунке различные давления, оказываемые на горные породы, вызывают образование более сложных структур.

Рисунок 10: Различные давления на горные породы вызывают образование более сложных структур

Хрупкая деформация образует разломы, которые можно классифицировать как 1) нормальные, 2) обратные или 3) сдвиговые, как вы можете видеть на рисунке 11. Нормальные разломы возникают, когда силы растяжения вызывают разрушение земной коры и падение горной породы ниже, как показано на рисунке 11. Обратные разломы возникают, когда сжатие земной коры приводит к поднятию породы над линией разлома. Сдвиговые разломы вызваны боковыми или боковыми движениями земной коры.

Фигура

Резюме урока

Земная кора находится под различными давлениями, называемыми напряжением , или силой, приложенной к определенной области, что может привести к тому, что называется деформацией. Деформация — это любой процесс, влияющий на форму, размер или объем участка земной коры. Существуют различные виды напряжений, в том числе ограничивающее напряжение , при котором горная порода или земная кора не изменяет форму, и дифференциальное напряжение , или когда сила не приложена одинаково во всех направлениях. Дифференциальное напряжение имеет три типа, которые мы рассмотрели в этом уроке:

1. Напряжение растяжения , которое вызывается растяжением коры в противоположных направлениях
2. Напряжение сжатия , возникающее в результате столкновения двух больших кусков земной коры, таких как две континентальные плиты,
3. Напряжение сдвига , когда две пластины трутся друг о друга в противоположных направлениях

Как и люди, земная кора по-разному реагирует на стресс.Если область способна вернуться к своей первоначальной форме после деформации, она испытала упругую деформацию . Если область не восстанавливается после изменения формы, она испытала пластическую деформацию . Иногда земная кора может складываться и изгибаться в ответ на напряжение, что приводит к пластической деформации , которая может возникать по мере приближения к ядру Земли, поскольку она становится более податливой при более высоких температурах. В других случаях кора не выдерживает давления и разрушается, что называется хрупкой деформацией .Это может быть вызвано высокой скоростью деформации , которая представляет собой величину деформации с течением времени. Пластичная деформация происходит при более низких скоростях деформации.

Мы также узнали, что пластичное давление образует складки, особенно двух типов. Когда горная порода сложена таким образом, что она удаляется от центра, она образует антиклиналь . Когда складка изгибается к центру Земли, она называется синклиналью . Существуют также лежачие складки , которые возникают, когда складка смещается из вертикальной в горизонтальную.Хрупкое давление, с другой стороны, образует дефекты из-за напряжения сдвига. Их можно разделить на три типа: нормальные разломы , когда силы растяжения вызывают разрыв земной коры и падение породы ниже; взбросы , которые возникают, когда сжатие земной коры приводит к поднятию породы над линией разлома; и сдвиговых разломов , возникающих при латеральном движении земной коры.

Напряжение и деформация — деформация горных пород

Напряжение и деформация — деформация горных пород

---

Напряжение и деформация – деформация горных пород

---

 

Напряжение — давление, приложенное к породе

Камень может подвергаться нескольким видам нагрузки:

литостатическое напряжение:  Порода под поверхностью Земли испытывает одинаковое давление, оказываемое на нее со всех сторон из-за веса вышележащей породы.Это похоже на гидростатическое напряжение (давление воды), которое человек ощущает при нырянии глубоко в воду.

дифференциальное (девиаторное) напряжение:   Во многих случаях порода может испытывать дополнительное неравномерное напряжение из-за тектонических сил. Есть три основных вида.

напряжение растяжения (растяжение)
напряжение сжатия (сжатие)
напряжение сдвига (поперечный сдвиг)

 

Деформация — деформация породы в ответ на нагрузку

Горная порода по-разному реагирует на напряжение в зависимости от давления и температуры (глубина в земле) и минералогического состава породы.

упругая деформация:   При небольших дифференциальных напряжениях, менее предела текучести , горная порода деформируется как пружина. Он меняет форму на очень небольшую величину в ответ на напряжение, но деформация не является постоянной. Если бы напряжение можно было обратить вспять, камень вернулся бы к своей первоначальной форме.

хрупкая деформация:   Вблизи поверхности Земли горная порода ведет себя привычно хрупко.Если прикладывается дифференциальное напряжение, превышающее предел текучести породы, она разрушается. Он ломается.   Примечание: та часть камня, которая не раскололась, снова принимает свою первоначальную форму. Этот упругий отскок является причиной землетрясений.

пластическая деформация:   Глубже 10-20 км огромное литостатическое напряжение делает практически невозможным образование трещины (трещины — с пространством между массивами породы), но высокая температура делает породу более мягкой, менее хрупкой, более податливой.Горная порода подвергается пластической деформации, когда прикладывается дифференциальное напряжение, превышающее ее предел текучести. Течет. Встречается в нижней части континентальной коры и в мантии

 

 

 

Деформация горных пород: причины и виды

Знаете ли вы, что камни испытывают стресс? Хотя это не тот стресс, который вы можете испытать в плохой день, стресс, которому подвергаются скалы, все же оказывает значительное влияние.Стресс заставляет камни деформироваться , что означает изменение размера или формы камней.

Существуют различные виды напряжений, которым подвергаются горные породы, и они определяют, как они деформируются. Напряжение растяжения  — это растяжение горной породы. Это похоже на натягивание нити с обоих концов после того, как струна уже полностью растянута. Напряжение сжатия  — это сжатие горных пород. Здесь скалы стиснуты вместе, как автомобиль, застрявший посреди длинного нагромождения на шоссе.

Касательное напряжение  — это скольжение породы в горизонтальном направлении. При касательном напряжении камень тянется в противоположных направлениях, но с разных концов. Чтобы понять это, попробуйте сложить ладони вместе, а затем потереть их туда-сюда. Теперь представьте, что посередине есть камень, и вы можете видеть, как один конец идет вперед, а другой тянется назад.

Стадии деформации горных пород

По мере того, как горные породы подвергаются напряжению, они проходят стадии деформации.Сначала камень достаточно напряжен, чтобы его форма или размер могли измениться, но это изменение обратимо. Это первая стадия, называемая упругой деформацией . Думайте об этом «эластичном» изменении, как о резинке на вашем поясе. Если вы потянете его, а затем отпустите, растяжение обратимо, потому что оно может вернуться к своей первоначальной форме.

Горные породы также могут деформироваться настолько, что изменение необратимо, что мы называем пластичной деформацией . Пластичность означает, что чему-то можно придать новую форму, но как только это происходит, оно остается таким.Это как медная проводка в вашем доме. Медь пластична, а это означает, что вы можете растянуть ее на длинные тонкие провода. Однако, сделав это изменение, вы не сможете «растянуть» его, и то же самое верно для горных пород на этой стадии деформации.

Наконец, если горные породы достаточно напряжены, они разрушаются , когда изменение становится необратимым и горная порода разрушается. Если вы упадете достаточно сильно, вы можете сломать кость в своем теле, и камни испытывают то же самое, когда нагрузка достаточно велика.

Как камни справляются со стрессом

Некоторые люди справляются со стрессом лучше, чем другие, и камни действуют точно так же. Таким образом, точно так же, как существуют различные типы напряжения горных пород, существуют также разные реакции на напряжение для разных типов горных пород. Способность породы выдерживать напряжение зависит от ее эластичности , или гибкости породы.

Возможно, вы удивитесь, узнав, что камни гибкие. При правильных условиях они могут «течь» очень медленно.Это движение похоже на глупую замазку. Надавите на эту дурацкую замазку очень сильно, и она будет казаться твердой, но если разорвать ее, она будет двигаться, как жидкость. Камни не такие текучие, как дурацкая замазка, но иногда они могут вести себя так же.

Помните ли вы раньше, что пластичные материалы, такие как медь, могут быть изменены? То же верно и для камней. Ковкая порода  – это горная порода, которая течет в ответ на напряжение. Эти камни более гибкие, чем нет. Такие вещи, как глина и минералы слюды, являются пластичными материалами, с которыми вы сталкивались, если когда-либо играли с глиной, чтобы придать ей различные формы.

С другой стороны, существует также хрупкая горная порода , которая ломается или разрушается в ответ на нагрузку. Этот тип породы менее гибок и поэтому легче растрескивается под давлением, чем пластичная порода. Примерами этого типа материала являются минералы кварца и полевого шпата, которые очень легко разобьются, если вы уроните их на землю.

ДЕФОРМАЦИЯ ГОРНЫХ ПОРОД

Деформация горных пород

Деформация горных пород

вернуться к содержанию всего курса…

Напряжение и деформация
Стадии деформации
Хрупко-пластичный Свойства литосферы
Происходящая деформация
Свидетельства прежней деформации
Трещины хрупких пород
Нормальные разломы
Хорста и Габенса
Полуграбенсы
Взбросы
Взбросы
Сдвиговые разломы
Трансформационные разломы
Свидетельства движения по разломам
Складчатость пластичных горных пород
Моноклинали
Антиклинали
Синклинали
Геометрия складок
Классификация складок
Взаимосвязь Между складчатостью и разломами
Складки и топография

см. также деформацию изображения в геологических процессах..

адаптировано к HTML из конспектов лекций профессора Стивена А. Нельсона Тулейна. Университет

Внутри Земли горные породы постоянно подвергаются воздействию сил, стремящихся чтобы их согнуть, скрутить или сломать. Когда скалы изгибаются, скручиваются или переломе мы говорим, что они деформируются (меняют форму или размер). Силы, которые вызывают деформацию горных пород, называются напряжениями (сила/единица площади). Таким образом, чтобы понять деформацию горных пород, мы должны сначала изучить эти силы или стрессы.

Стресс и Штамм

Напряжение – это сила, приложенная к площади. Один из видов стресса, которым мы все являемся используется для равномерного напряжения, называемого давлением. Равномерное напряжение есть напряжение при этом силы действуют одинаково со всех сторон. На Земле давление от веса вышележащих пород является равномерным напряжением и равно иногда называют ограничивающим стрессом.

Если напряжение не одинаково со всех сторон, то мы говорим, что напряжение дифференциальное напряжение.Возникают три вида дифференциального напряжения.

• Напряжение растяжения (или напряжение растяжения), которое растягивает породу;
• Напряжение сжатия, сжимающее горную породу; и
• Напряжение сдвига, приводящее к проскальзыванию и смещению.

Говорят, что когда горные породы деформируются, они напрягаются. Штамм – это изменение размера, форму или объем материала.

Стадии деформации

Когда порода подвергается возрастающей нагрузке, она проходит через 3 последовательные этапы деформации.

• Упругая деформация — при которой деформация обратима.
• Вязкая деформация — при которой деформация необратима.
• Разрушение — необратимая деформация, при которой происходит разрушение материала.

Мы можем разделить материалы на два класса, которые зависят от их относительной поведение в условиях стресса.

• Хрупкие материалы имеют небольшую или большую область упругого поведения но только небольшая область пластичного поведения, прежде чем они разрушатся.
• Пластичные материалы имеют небольшую область упругого поведения и большая область пластичного поведения до разрушения.

Поведение материала зависит от нескольких факторов.
Среди них:

• Температура. При высокой температуре молекулы и их связи могут растягиваться и двигаться, поэтому материалы будут вести себя более пластично. При низкой температуре материалы становятся хрупкими.
• Всестороннее давление — при высоком всестороннем давлении материалы меньше может сломаться, потому что давление окружающей среды имеет тенденцию к препятствуют образованию трещин.При низком ограничивающем напряжении материал будет хрупким и быстрее сломается.
• Скорость деформации — При высоких скоростях деформации материал имеет тенденцию к разрушению. В низкие скорости деформации, больше времени доступно для перемещения отдельных атомов поэтому предпочтительнее пластичное поведение.
• Состав — Некоторые минералы, такие как кварц, оливин и полевые шпаты. очень ломкие.
  Другие, такие как глинистые минералы, слюда и кальцит, более пластичны. происходит из-за типов химической связи, которые удерживают их вместе.
  Таким образом, минералогический состав породы будет фактором определение деформационного поведения породы. Другой аспект наличие или отсутствие воды.
  Вода ослабляет химические связи и образует пленку вокруг минеральные зерна, по которым может происходить скольжение. Таким образом, мокрая скала имеет тенденцию вести себя пластично, в то время как сухие породы склонны вести себя хрупкая манера.

Хрупкопластичный Свойства литосферы

Все мы знаем, что горные породы у поверхности Земли ведут себя хрупко способ.Коровые породы состоят из минералов, таких как кварц и полевой шпат. которые имеют высокую прочность, особенно при низком давлении и температуре. В виде мы углубляемся в землю, прочность этих пород первоначально увеличивается. На глубине около 15 км мы достигаем точки, называемой хрупко-пластичной. переходная зона. Ниже этой точки прочность горных пород снижается, поскольку трещины закрываются, а температура повышается, что делает породы вести себя податливо. В основании земной коры изменяется тип породы. до перидотита, богатого оливином.Оливин сильнее, чем минералы, входящие в состав большинства пород земной коры, поэтому верхняя часть мантии снова сильный. Но так же, как и в земной коре, повышение температуры со временем преобладает и на глубине около 40 км хрупко-пластичный переходная зона в мантии. Ниже этой точки породы ведут себя по-разному. все более пластичным образом

Деформация в процессе
Лишь в отдельных случаях деформация горных пород происходит со скоростью, равной наблюдаемые в масштабах человеческого времени.Резкая деформация по разломам, обычно связанные с землетрясениями, вызванными разрушением горных пород, происходят на шкала времени минут или секунд. Постепенная деформация вдоль разломов или в области подъема или опускания могут быть измерены в течение периодов от нескольких месяцев до лет с чувствительными измерительными приборами.

Доказательства Бывшая деформация
Доказательства деформации, которая произошла в прошлом, очень очевидны в коровые породы.Например, осадочные пласты и лавовые потоки обычно следовать закону исходной горизонтальности. Таким образом, когда мы видим такие слои наклонный, а не горизонтальный, свидетельствует об эпизоде ​​деформации. настоящее время. Чтобы однозначно определить ориентацию плоского элемента сначала нам нужно определить два термина — простирание и падение

. Для наклонной плоскости простирание — это компасное направление любой горизонтальная линия на плоскости. Падение – это угол между горизонталью плоскость и наклонная плоскость, измеренная перпендикулярно направлению простирание

При записи измерений простирания и падения на геологической карте символ используется длинная линия, ориентированная параллельно направлению компаса удар.Короткая галочка ставится в центре строки на сторону, в которую падает наклонная плоскость, и записывают угол падения рядом с символом удара и падения, как показано выше. Для кроватей с Падение 900 (по вертикали) короткая линия пересекает линию удара, а для пластов без провала (по горизонтали) используется круг с крестом внутри, как показано на рисунке ниже.

Разрушение хрупких горных пород

• Разломы — Разломы возникают при разрушении хрупких пород и наличии смещение вдоль излома.Когда смещение небольшое, смещение можно легко измерить, но иногда смещение настолько велико что его трудно измерить. Типы Неисправности Неисправности можно разделить на несколько различных типов в зависимости от направления относительного смещения. Так как неисправности плоские элементы, также применяется концепция простирания и падения, и, таким образом, простирание и падение плоскости разлома могут быть измерены. Одно подразделение разломы находятся между сбросо-сдвиговыми разломами, где измеряется смещение вдоль направления падения разлома и сдвиговых разломов, где смещение горизонтальное, параллельное простиранию разлома.
• Сдвиговые разломы —
  Сдвиговые разломы — это разломы, которые имеют наклонную плоскость разлома и вдоль относительное смещение или смещение которого произошло по падению направление. Обратите внимание, что при рассмотрении смещения по любому разлому мы не знаем, какая сторона на самом деле двигалась или двигались обе стороны, все мы можно определить относительное чувство движения.
  Для любой наклонной плоскости разлома мы определяем блок над разломом как блок висячей стены и блок ниже разлома в качестве подошвы блокировать.

Нормальные неисправности —

Разломы, возникающие в результате горизонтальных растягивающих напряжений в хрупких горных породах. и где блок висячей стены сместился относительно основания блок

Хорстс и Габенс —

 Из-за напряжения растяжения, ответственного за нормальные неисправности, они часто возникают сериями, при этом соседние разломы падают в противоположных направлениях. направления. В таком случае опущенные глыбы образуют грабены и поднятые блоки образуют горсты.В районах, где напряжения напряжения в последнее время воздействует на земную кору, грабены могут образовывать рифтовые долины и приподнятые горстовые блоки могут образовывать линейные горные хребты. Восточноафриканская рифтовая долина является примером области, где расширение континента создало такое раскол. Провинция бассейна и хребта на западе США (Невада, Юта и Айдахо) также является областью, которая недавно подверглась расширению земной коры. В бассейн и хребет, бассейны представляют собой удлиненные грабены, которые сейчас формируют долины и хребты приподняты горстовыми глыбами

Полуграбены —

Нормальный разлом, который имеет искривленную плоскость разлома с падением, уменьшающимся с depth может привести к вращению опущенного блока.В таком случае образуется полуграбен, названный так потому, что он ограничен только одним разлом вместо двух, образующих нормальный грабен.

Обратные ошибки —

Разломы, возникающие в результате горизонтальных сжимающих напряжений в хрупких скалы, где блок висячей стены сместился относительно подошвы блок

Ошибка тяги —

является частным случаем обратного разлома, когда падение разлома меньше чем 15о.Надвиги могут иметь значительные смещения, сотни километров и может привести к тому, что более старые слои перекроют более молодые слои.

Сдвиговые разломы —

разломы, в которых относительное движение по разлому произошло вдоль горизонтальное направление. Такие разломы возникают в результате касательных напряжений, действующих в корка. Сдвиговые разломы могут быть двух видов, в зависимости от смысла. смещения. Наблюдателю, стоящему по одну сторону разлома и глядя поперек разлома, если блок на другой стороне переместился в слева, мы говорим, что разлом является левосторонним сдвигом.Если блок на другой стороне сдвинулся вправо, мы говорим, что неисправность правосторонний сдвиг. Знаменитый разлом Сан-Андреас в Калифорния является примером правостороннего сдвигового разлома. Смещения по разлому Сан-Андреас оцениваются более чем в 600 км

Трансформные разломы

— особый класс сдвиговых разломов. Это границы плит по которому две пластины скользят друг относительно друга горизонтально.То наиболее распространенный тип трансформных разломов возникает там, где океанические хребты компенсировать. Обратите внимание, что ошибка преобразования возникает только между двумя сегментами. хребта. Вне этой области нет относительного движения, потому что блоки движутся в одном направлении. Эти участки называются переломом. зоны. Разлом Сан-Андреас в Калифорнии также является трансформным разломом.

Доказательства перемещения по Неисправности

• Стороны скольжения — это царапины, оставленные на плоскости разлома как один блок перемещается относительно другого.Сликенсайды можно использовать для определить направление и направление движения по разлому.


• Разлом Брекчии представляют собой раскрошенные породы, состоящие из угловатых обломков. которые образовались в результате измельчения и дробления движения по вина.

Складчатость пластичных пород

Когда горные породы пластично деформируются, а не разрушаются с образованием разломы, они могут изгибаться или складываться, и образующиеся в результате структуры называются складки.Складки возникают в результате сжимающих напряжений, действующих на протяжении значительных время. Поскольку скорость деформации низкая, породы, которые мы обычно рассматриваем, хрупкий может вести себя пластичным образом, что приводит к таким складкам. Мы признать несколько разные виды складок.

Моноклин
являются простейшими типами складок. Моноклинали возникают, когда горизонтальные пласты загнуты вверх так, что два крыла складки остаются горизонтальными

Антиклинали

Антиклинали – это складки, в которых первоначально горизонтальные пласты были сложены вверх, и два конца сгиба отклонились от шарнира складки

Синклинали
Синклинали – это складки, в которых располагались первоначально горизонтальные пласты. сложена вниз, а два конца складки погружаются внутрь к шарниру сгиба.Синклинали и антиклинали обычно встречаются вместе, так что крыло синклинали также является крылом антиклинали.

Геометрия складок
Геометрия складок. Складки описываются их формой и ориентацией. То стороны складки называются конечностями. Конечности пересекаются в самой узкой части складки, называемой шарниром. Линия, соединяющая все точки на шарнире называется осью сгиба. На диаграммах выше оси сгиба горизонтальна, но если ось сгиба не горизонтальна, складка называется врезной сгиб и угол, который ось сгиба образует с горизонталью линия называется погружением складки.Воображаемая плоскость, включающая оси складки и делит складку по возможности симметрично, называется осевая плоскость складки

 

Заметим, что если ныряющая складка пересекает горизонтальную поверхность, мы увидим рисунок складки на поверхности.

Классификация складок Складки могут классифицировать по внешнему виду.

• Если два конца складки наклоняются от оси с одинаковой угла, складка называется симметричной.
• Если конечности наклонены под разными углами, говорят, что складки асимметричные складки.
• Если сжимающие напряжения, вызывающие складчатость, интенсивны, складка может смыкаться и иметь отгибы, параллельные друг другу. Такая складка называется изоклинальной складкой (изо означает одинаковую, а клин означает угол, поэтому изоклинальный означает, что конечности имеют одинаковый угол. Примечание изоклинальная складка, изображенная на диаграмме ниже, также является симметричной складывать.
• Если складчатость настолько интенсивна, что пласты на одном плече складки становится почти перевернутой, складка называется перевернутой складкой.
• Перевернутая складка с почти горизонтальной осевой плоскостью называется лежачей складкой.
• Складка, не имеющая искривления в шарнире и с прямыми концами которые образуют зигзагообразный узор, называется шевронной складкой

Взаимосвязь между складыванием и разломом

Поскольку разные горные породы ведут себя по-разному при нагрузке, мы ожидаем, что некоторые породы при одинаковом напряжении будут разрушаться или разрушаться, в то время как другие свернутся.Когда такие контрастные породы встречаются в одном и том же районе, такие как пластичные породы, лежащие над хрупкими породами, хрупкие породы могут разломы и пластичные породы могут изгибаться или складываться по разлому
Кроме того, поскольку даже пластичные породы могут в конечном итоге разрушаться под действием высокого напряжения, породы могут складываться до определенной точки, а затем разрушаться, образуя разлом.

 

Складки и рельеф

Поскольку разные горные породы обладают разной устойчивостью к эрозии и выветриванию, эрозия складчатых областей может привести к топографии, отражающей складной.Устойчивые слои будут образовывать гребни, имеющие ту же форму, что и

Горные хребты — результат деформации земной коры

Один из самых впечатляющих результатов деформации, действующей внутри земной коры Земли является формирование горных хребтов. Горы берут свое начало три процесса, два из которых непосредственно связаны с деформацией. Таким образом, Есть три типа гор:

• Горы блоков разломов — Как следует из названия, горы блоков разломов. возникают по вине.Как обсуждалось ранее, как нормальные, так и взбросы могут вызвать поднятие блоков пород земной коры. То Горы Сьерра-Невада в Калифорнии и горы в бассейне и провинция Рейндж на западе США образовались в результате разломов процессов и, таким образом, представляют собой разломные глыбовые горы.
• Складчатые и надвиговые горы — большие сжимающие напряжения могут быть генерируются в земной коре тектоническими силами, вызывающими континентальные области земной коры столкнуться.Когда это происходит, камни между двумя континентальные блоки становятся складчатыми и разломными при сжатии напряжения и выталкиваются вверх, образуя складчато-надвиговые горы. То Гималаи (в настоящее время самые высокие на Земле) — это горы этого типа и образовались в результате столкновения Индийской плиты. с Евразийской плитой. Точно так же Аппалачи на севере Такими процессами образовались Америка и Альпы Европы.
• Вулканические горы — Третий тип гор, вулканические. горы образуются не деформационными процессами, а излияние магмы на поверхность Земли. Каскад Горы запада США и, конечно же, горы Гавайские острова и Исландия — вулканические горы

TOP

12.3 Напряжение, деформация и модуль упругости — University Physics Volume 1

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете:

• Объяснять понятия напряжения и деформации при описании упругих деформаций материалов
• Описывать виды упругой деформации предметов и материалов

Модель твердого тела представляет собой идеализированный пример объекта, не деформирующегося под действием внешних сил.Это очень полезно при анализе механических систем, ведь многие физические объекты действительно в значительной степени жесткие. Степень, в которой объект может восприниматься как жесткий, зависит от физических свойств материала, из которого он сделан. Например, шарик для пинг-понга, сделанный из пластика, является хрупким, а теннисный мяч, сделанный из резины, эластичен при воздействии сжимающих сил. Однако при других обстоятельствах и мячик для пинг-понга, и мячик для тенниса могут хорошо отскакивать как твердые тела.Точно так же тот, кто проектирует протезы конечностей, может приблизиться к механике человеческих конечностей, моделируя их как твердые тела; однако фактическое сочетание костей и тканей представляет собой эластичную среду.

В оставшейся части этой главы мы перейдем от рассмотрения сил, влияющих на движение объекта, к тем, которые влияют на форму объекта. Изменение формы из-за приложения силы известно как деформация. Известно, что даже очень малые силы вызывают некоторую деформацию.Деформации подвергаются предметы или физические среды под действием внешних сил, например, это может быть раздавливание, сдавливание, разрывание, скручивание, разрезание или растяжение предметов. На языке физики два термина описывают силы, действующие на объекты, подвергающиеся деформации: напряжение и деформация .

Напряжение — это величина, описывающая величину сил, вызывающих деформацию. Напряжение обычно определяется как сил на единицу площади .Когда силы притягивают объект и вызывают его удлинение, как растяжение эластичной ленты, мы называем такое напряжение растягивающим напряжением. Когда силы вызывают сжатие объекта, мы называем это сжимающим напряжением. Когда объект сжимается со всех сторон, как подводная лодка в глубинах океана, мы называем этот вид напряжения объемным напряжением (или объемным напряжением). В других ситуациях действующие силы могут быть ни растягивающими, ни сжимающими, но при этом вызывать заметную деформацию. Например, предположим, что вы крепко держите книгу между ладонями, затем одной рукой вы нажимаете и тянете переднюю обложку от себя, а другой рукой нажимаете и тянете заднюю обложку к себе. ты.В таком случае, когда деформирующие силы действуют по касательной к поверхности объекта, мы называем их «сдвиговыми» силами, а напряжение, которое они вызывают, называется напряжением сдвига.

Единицей напряжения в системе СИ является паскаль (Па). Когда сила в один ньютон давит на единицу площади поверхности в один квадратный метр, результирующее напряжение равно одному паскалю:

один паскаль = 1,0 Па = 1,0 Н 1,0 м2. один паскаль = 1,0 Па = 1,0 Н 1,0 м2.

В имперской системе единиц единицей напряжения является «psi», что означает «фунт на квадратный дюйм» (lb/in2).(фунт/дюйм2). Другой единицей, которая часто используется для объемного напряжения, является атм (атмосфера). Коэффициенты пересчета

1 psi = 6895 Па и 1 Па = 1,450 × 10–4 фунта/кв. дюйм 1 атм = 1,013 × 105 Па = 14,7 фунта/кв.

Объект или среда под напряжением деформируются. Величина, описывающая эту деформацию, называется деформацией. Деформация задается как частичное изменение либо длины (при растягивающем напряжении), либо объема (при объемном напряжении), либо геометрии (при сдвиговом напряжении). Следовательно, деформация является безразмерным числом.Деформация при растягивающем напряжении называется деформацией растяжения, деформация при объемном напряжении называется объемной деформацией (или объемной деформацией), а деформация, вызванная напряжением сдвига, называется деформацией сдвига.

Чем больше напряжение, тем больше деформация; однако связь между деформацией и напряжением не обязательно должна быть линейной. Только когда напряжение достаточно низкое, вызываемая им деформация прямо пропорциональна величине напряжения. Константа пропорциональности в этом отношении называется модулем упругости.В линейном пределе низких значений напряжения общее отношение между напряжением и деформацией составляет

. напряжение=(модуль упругости)×деформация.напряжение=(модуль упругости)×деформация.

12.33

Как видно из размерного анализа этого отношения, модуль упругости имеет ту же физическую единицу, что и напряжение, поскольку деформация безразмерна.

Мы также можем видеть из уравнения 12.33, что когда объект характеризуется большим значением модуля упругости, влияние напряжения невелико.С другой стороны, небольшой модуль упругости означает, что напряжение вызывает большую деформацию и заметную деформацию. Например, нагрузка на резиновую ленту вызывает большую деформацию (деформацию), чем такая же нагрузка на стальную ленту тех же размеров, поскольку модуль упругости резины на два порядка меньше модуля упругости стали.

Модуль упругости при растягивающем напряжении называется модулем Юнга; то, что для объемного напряжения называется объемным модулем; а то, что касается напряжения сдвига, называется модулем сдвига.Обратите внимание, что соотношение между напряжением и деформацией представляет собой наблюдаемых соотношений, измеренных в лаборатории. Модули упругости для различных материалов измеряются в различных физических условиях, таких как переменная температура, и собираются в таблицах технических данных для справки (таблица 12.1). Эти таблицы являются ценным справочным материалом для промышленности и всех, кто занимается проектированием или строительством. В следующем разделе мы обсудим отношения деформации к напряжению за пределами линейного предела, представленного уравнением 12.33, во всем диапазоне значений напряжения до точки разрушения. В оставшейся части этого раздела мы изучаем линейный предел, выраженный уравнением 12.33.

Материал	Модуль Юнга ×1010Па×1010Па	Объемный модуль ×1010 Па × 1010 Па	Модуль сдвига ×1010 Па × 1010 Па
Алюминий	7,0	7,5	2,5
Кость (растяжение)	1.6	0,8	8,0
Кость (компрессия)	0,9
Латунь	9,0	6,0	3,5
Кирпич	1,5
Бетон	2,0
Медь	11,0	14,0	4,4
Краун	6.0	5,0	2,5
Гранит	4,5	4,5	2,0
Волосы (человеческие)	1,0
Твердая древесина	1,5		1,0
Железо	21,0	16,0	7,7
Свинец	1,6	4.1	0,6
Мрамор	6.0	7,0	2,0
Никель	21,0	17,0	7,8
Полистирол	3,0
Шелк	6,0
Паутинная резьба	3,0
Сталь	20,0	16,0	7,5
Ацетон		0.07
Этанол		0,09
Глицерин		0,45
Меркурий		2,5
Вода		0,22

Таблица 12.1 Приблизительные модули упругости для выбранных материалов

Напряжение растяжения или сжатия, деформация и модуль Юнга

Растяжение или сжатие возникает, когда две антипараллельные силы одинаковой величины действуют на объект только по одному из его измерений таким образом, что объект не движется.Один из способов представить такую ​​ситуацию показан на рис. 12.18. Отрезок стержня либо растягивается, либо сжимается парой сил, действующих по его длине и перпендикулярно поперечному сечению. Суммарное действие таких сил состоит в том, что стержень изменяет свою длину от первоначальной длины L0L0, которую он имел до появления сил, на новую длину L , которую он имеет под действием сил. Это изменение длины ΔL=L-L0 ΔL=L-L0 может быть либо удлинением (когда L больше исходной длины L0)L0), либо сокращением (когда L меньше исходной длины L0).Л0). Растягивающее напряжение и деформация возникают, когда силы растягивают объект, вызывая его удлинение, а изменение длины ΔLΔL положительно. Напряжение сжатия и деформация возникают, когда силы сжимают объект, вызывая его укорочение, а изменение длины ΔLΔL отрицательно.

В любой из этих ситуаций мы определяем напряжение как отношение деформирующей силы F⊥F⊥ к площади поперечного сечения A деформируемого объекта. Символ F⊥F⊥, который мы оставляем за деформирующей силой, означает, что эта сила действует перпендикулярно поперечному сечению объекта.Силы, действующие параллельно поперечному сечению, не изменяют длину объекта. Определение растягивающего напряжения

растягивающее напряжение = F⊥A. растягивающее напряжение = F⊥A.

12.34

Деформация при растяжении является мерой деформации объекта под действием растягивающего напряжения и определяется как частичное изменение длины объекта, когда объект подвергается растягивающему напряжению

деформация растяжения = ΔLL0. деформация растяжения = ΔLL0.

12.35

Напряжение сжатия и деформация определяются по той же формуле, уравнение 12.34 и уравнение 12.35 соответственно. Единственное отличие от ситуации растяжения заключается в том, что для сжимающего напряжения и деформации мы берем абсолютные значения правых частей в уравнениях 12.34 и 12.35.

Фигура 12.18 Когда объект находится в состоянии растяжения или сжатия, результирующая сила, действующая на него, равна нулю, но объект деформируется, изменяя свою первоначальную длину L0.L0. (а) Натяжение: стержень удлиняется на ΔL.ΔL. (b) Сжатие: стержень сжимается на ΔL.ΔL. В обоих случаях деформирующая сила действует по длине стержня и перпендикулярно его поперечному сечению.В линейном диапазоне малых напряжений площадь поперечного сечения стержня не меняется.

Модуль Юнга Y — это модуль упругости, когда деформация вызвана напряжением растяжения или сжатия, и определяется уравнением 12.33. Разделив это уравнение на деформацию растяжения, получим выражение для модуля Юнга:

Y=напряжение при растяжении, деформация при растяжении=F⊥/A∆L/L0=F⊥AL0∆L.Y=напряжение при растяжении, деформация при растяжении=F⊥/A∆L/L0=F⊥AL0∆L.

12.36

Пример 12,7

Напряжение сжатия в колонне

Скульптура весом 10 000 Н покоится на горизонтальной поверхности на вершине 6.Вертикальный столб высотой 0 м Рисунок 12.19. Площадь поперечного сечения столба составляет 0,20 м20,20 м2, он изготовлен из гранита с массовой плотностью 2700 кг/м3.2700 кг/м3. Найти напряжение сжатия в поперечном сечении, расположенном на 3,0 м ниже вершины целика, и величину деформации сжатия верхнего 3,0-метрового участка целика.

Фигура 12.19 Колонна Нельсона на Трафальгарской площади в Лондоне, Англия. (кредит: модификация работы Кристиана Бортеса)

Стратегия

Сначала найдем вес 3.Верхняя часть столба длиной 0 м. Нормальная сила, действующая на поперечное сечение, расположенное на расстоянии 3,0 м от вершины, представляет собой сумму веса столба и веса скульптуры. Получив нормальную силу, мы используем уравнение 12.34, чтобы найти напряжение. Чтобы найти деформацию сжатия, мы находим значение модуля Юнга для гранита в таблице 12.1 и инвертируем уравнение 12.36.

Решение

Объем сегмента столба высотой h=3,0мh=3,0м и площадью поперечного сечения А=0,20м2А=0,20м2 составляет В=Ах=(0.20 м2)(3,0 м)=0,60 м3.V=Ач=(0,20 м2)(3,0 м)=0,60 м3.

При плотности гранита ρ=2,7×103кг/м3,ρ=2,7×103кг/м3 масса сегмента столба

m=ρV=(2,7×103 кг/м3)(0,60м3)=1,60×103кг.m=ρV=(2,7×103кг/м3)(0,60м3)=1,60×103кг.

Вес сегмента стойки

wp=mg=(1,60×103 кг)(9,80 м/с2)=1,568×104 Н.wp=mg=(1,60×103 кг)(9,80 м/с2)=1,568×104 Н.

Вес скульптуры ws=1,0×104 Н, ws=1,0×104 Н, поэтому нормальная сила на поверхности поперечного сечения, расположенной на 3,0 м ниже скульптуры, равна

F⊥=wp+ws=(1.568+1,0)×104Н=2,568×104Н.F⊥=wp+ws=(1,568+1,0)×104Н=2,568×104Н.

Следовательно, напряжение равно

. напряжение=F⊥A=2,568×104N0,20м2=1,284×105Па=128,4 кПа. Напряжение=F⊥A=2,568×104N0,20м2=1,284×105Па=128,4 кПа.

Модуль Юнга для гранита Y=4,5×1010 Па=4,5×107 кПа. Y=4,5×1010 Па=4,5×107 кПа. Следовательно, деформация сжатия в этом положении равна

деформация=напряжение Y=128,4 кПа4,5×107 кПа=2,85×10-6. деформация=напряжениеY=128,4 кПа4,5×107 кПа=2,85×10-6.

Значение

Обратите внимание, что нормальная сила, действующая на площадь поперечного сечения столба, не постоянна по его длине, а изменяется от наименьшего значения вверху до наибольшего значения внизу столба.Таким образом, если столб имеет одинаковую площадь поперечного сечения по всей длине, наибольшее напряжение приходится на его основание.

Проверьте свое понимание 12,9

Найдите сжимающее напряжение и деформацию в основании колонны Нельсона.

Пример 12,8

Растягивание стержня

Стальной стержень длиной 2,0 м имеет площадь поперечного сечения 0,30см2.0,30см2. Штанга представляет собой часть вертикальной опоры, удерживающей тяжелую 550-килограммовую платформу, прикрепленную к нижнему концу штанги.Чему равно растягивающее напряжение в стержне и удлинение стержня под действием напряжения без учета веса стержня?

Стратегия

Сначала вычислим растягивающее напряжение в стержне под действием веса платформы в соответствии с уравнением 12.34. Затем мы инвертируем уравнение 12.36, чтобы найти удлинение стержня, используя L0 = 2,0 м. L0 = 2,0 м. Из Таблицы 12.1 модуль Юнга для стали равен Y=2,0×1011 Па. Y=2,0×1011 Па.

Решение

Подстановка числовых значений в уравнения дает нам F⊥A=(550 кг)(9.8 м/с2)3,0×10-5м2=1,8×108ПаΔL=F⊥AL0Y=(1,8×108Па)2,0м2,0×1011Па=1,8×10-3м=1,8мм.F⊥A=(550кг)(9,8м/ s2)3,0×10-5м2=1,8×108ПаΔL=F⊥AL0Y=(1,8×108Па)2,0м2,0×1011Па=1,8×10-3м=1,8мм.

Значение

Как и в примере с колонной, растягивающее напряжение в этом примере неравномерно по длине стержня. Однако, в отличие от предыдущего примера, если принять во внимание вес стержня, напряжение в стержне наибольшее в верхней части и наименьшее в нижней части стержня, к которому прикреплено оборудование.

Проверьте свое понимание 12.10

Проволока длиной 2,0 м растягивается на 1,0 мм под нагрузкой. Чему равна деформация растяжения в проволоке?

Объекты часто могут одновременно испытывать как сжимающее, так и растягивающее напряжение. Рисунок 12.20. Одним из примеров является длинная полка, загруженная тяжелыми книгами, которая провисает между торцевыми опорами под весом книг. Верхняя поверхность полки находится в сжимающем напряжении, а нижняя поверхность полки в растягивающем напряжении.Точно так же длинные и тяжелые балки прогибаются под собственным весом. В современном строительстве такие деформации изгиба могут быть практически устранены при использовании двутавровых балок. Рис. 12.21.

Фигура 12.20 (а) Объект, наклоненный вниз, испытывает растягивающее напряжение (растяжение) в верхней части и сжимающее напряжение (сжатие) в нижней части. (b) Элитные тяжелоатлеты часто временно сгибают железные стержни во время подъема, как, например, на Олимпийских играх 2012 года. (кредит b: модификация работы Александра Кочерженко)

Фигура 12.21 Стальные двутавровые балки используются в строительстве для уменьшения деформации изгиба. (кредит: модификация работы «Европейского округа инженерного корпуса армии США»/Flickr)

Объемное напряжение, деформация и модуль

Когда вы ныряете в воду, вы чувствуете силу, давящую на каждую часть вашего тела со всех сторон. То, что вы испытываете, — это массовый стресс, или, другими словами, давление. Объемное напряжение всегда имеет тенденцию к уменьшению объема, ограниченного поверхностью погруженного объекта.Силы этого «выдавливания» всегда перпендикулярны погруженной поверхности Рис. 12.22. Действие этих сил заключается в уменьшении объема погруженного объекта на величину ΔVΔV по сравнению с объемом V0V0 объекта при отсутствии объемного напряжения. Этот вид деформации называется объемной деформацией и описывается изменением объема относительно первоначального объема:

объемная деформация = ΔVV0. объемная деформация = ΔVV0.

12.37

Фигура 12.22 Объект при увеличении объемного напряжения всегда испытывает уменьшение своего объема.Со всех сторон действуют равные силы, перпендикулярные поверхности. Действие этих сил заключается в уменьшении объема на величину ΔVΔV по сравнению с первоначальным объемом V0.V0.

Объемная деформация является результатом объемного напряжения, представляющего собой силу F⊥F⊥, перпендикулярную поверхности, которая давит на единицу площади поверхности A погруженного объекта. Этот вид физической величины, или давление p , определяется как

давление=p≡F⊥A.давление=p≡F⊥A.

12.38

Более подробно давление в жидкостях мы изучим в механике жидкости.Важной характеристикой давления является то, что оно является скалярной величиной и не имеет определенного направления; то есть давление действует одинаково во всех возможных направлениях. Когда вы погружаете руку в воду, вы чувствуете такое же давление, действующее на верхнюю поверхность руки, как и на нижнюю поверхность, или на боковую поверхность, или на поверхность кожи между пальцами. В этом случае вы ощущаете увеличение давления ΔpΔp по сравнению с тем, что вы привыкли ощущать, когда ваша рука не погружена в воду.То, что вы чувствуете, когда ваша рука не погружена в воду, — это нормальное давление p0p0 в одну атмосферу, которое служит точкой отсчета. Объемное напряжение представляет собой увеличение давления, или Δp, Δp, по сравнению с нормальным уровнем, p0.p0.

Когда объемное напряжение увеличивается, объемная деформация увеличивается в соответствии с уравнением 12.33. Константа пропорциональности в этом отношении называется объемным модулем, B или

. B = объемное напряжение, объемная деформация = -ΔpΔV/V0 = —ΔpV0ΔV. B = объемное напряжение, объемная деформация = —ΔpΔV/V0 = —ΔpV0ΔV.

12.39

Знак минус, который появляется в уравнении 12.39, используется для согласованности, чтобы гарантировать, что B является положительной величиной. Обратите внимание, что знак минус (–)(–) необходим, поскольку увеличение ΔpΔp давления (положительная величина) всегда вызывает уменьшение ΔVΔV объема, а уменьшение объема является отрицательной величиной. Величина, обратная объемному модулю, называется сжимаемостью k,k или

. k=1B=-ΔV/V0Δp.k=1B=-ΔV/V0Δp.

12.40

Термин «сжимаемость» используется в отношении флюидов (газов и жидкостей).Сжимаемость описывает изменение объема жидкости на единицу увеличения давления. Жидкости, характеризующиеся большой сжимаемостью, относительно легко сжимаются. Например, сжимаемость воды составляет 4,64×10-5/атм, 4,64×10-5/атм, а сжимаемость ацетона составляет 1,45×10-4/атм, 1,45×10-4/атм. Это означает, что при увеличении давления на 1,0 атм относительное уменьшение объема примерно в три раза больше для ацетона, чем для воды.

Пример 12.9

Гидравлический пресс

В гидравлическом прессе (рис. 12.23) объем масла объемом 250 литров подвергается повышению давления на 2300 фунтов на квадратный дюйм. Если сжимаемость масла 2,0×10-5/атм, 2,0×10-5/атм, найти объемную деформацию и абсолютное уменьшение объема масла при работе пресса.

Фигура 12.23 В гидравлическом прессе, когда маленький поршень смещается вниз, давление масла передается через масло на большой поршень, заставляя большой поршень двигаться вверх.Небольшое усилие, приложенное к маленькому поршню, вызывает большую силу давления, которую большой поршень оказывает на предмет, который либо поднимается, либо сжимается. Устройство действует как механический рычаг.

Стратегия

Мы должны инвертировать уравнение 12.40, чтобы найти объемную деформацию. Во-первых, мы конвертируем увеличение давления из psi в атм, Δp=2300psi=2300/14,7атм≈160атм, Δp=2300psi=2300/14,7атм≈160атм, и определяем V0=250L.V0=250L.

Решение

Подставляя значения в уравнение, имеем объемная деформация=ΔVV0=ΔpB=kΔp=(2.0×10-5/атм)(160атм)=0,0032ответ: ΔV=0,0032V0=0,0032(250л)=0,78л.объемная деформация=ΔVV0=ΔpB=kΔp=(2,0×10-5/атм)(160атм)= 0,0032 ответ: ΔV=0,0032V0=0,0032(250 л)=0,78 л.

Значение

Обратите внимание, что, поскольку сжимаемость воды в 2,32 раза больше, чем у масла, если бы рабочее тело в гидравлическом прессе этой задачи было заменено водой, объемная деформация, а также изменение объема были бы в 2,32 раза больше.

Проверьте свое понимание 12.11

Если нормальная сила действует на каждую грань куба 1.0-м31,0-м3 куска стали изменить на 1,0×107Н, 1,0×107Н, найти полученное изменение объема куска стали.

Напряжение сдвига, деформация и модуль

Понятия касательного напряжения и деформации относятся только к твердым объектам или материалам. Здания и тектонические плиты являются примерами объектов, которые могут подвергаться напряжениям сдвига. В общем случае эти понятия неприменимы к жидкостям.

Деформация сдвига возникает, когда две антипараллельные силы одинаковой величины прикладываются по касательной к противоположным поверхностям твердого тела, не вызывая деформации в поперечном направлении к силовой линии, как в типичном примере напряжения сдвига, показанном на рисунке 12.24. Сдвиговая деформация характеризуется постепенным смещением ΔxΔx слоев в направлении, касательном к действующим силам. Эта градация по ΔxΔx происходит в поперечном направлении на некотором расстоянии L0.L0. Деформация сдвига определяется отношением наибольшего смещения ΔxΔx к поперечному расстоянию L0L0

деформация сдвига = ΔxL0. деформация сдвига = ΔxL0.

12.41

Деформация сдвига вызвана напряжением сдвига. Касательное напряжение возникает из-за сил, которые действуют параллельно поверхности. Мы используем символ F∥F∥ для таких сил.Величина F∥F∥ на площадь поверхности A , где приложено усилие сдвига, является мерой напряжения сдвига

напряжение сдвига = F∥A. напряжение сдвига = F∥A.

12.42

Модуль сдвига является константой пропорциональности в уравнении 12.33 и определяется отношением напряжения к деформации. Модуль сдвига обычно обозначается как S :

. S=напряжение сдвига, деформация сдвига=F∥/A∆x/L0=F∥AL0∆x.S=напряжение сдвига, деформация сдвига=F∥/A∆x/L0=F∥AL0∆x.

12.43

Фигура 12.24 Объект под напряжением сдвига: две антипараллельные силы равной величины приложены по касательной к противоположным параллельным поверхностям объекта. Контур штриховой линией изображает результирующую деформацию. Направление, поперечное действующим силам, не изменяется, и поперечная длина L0L0 не изменяется. Сдвиговая деформация характеризуется постепенным смещением ΔxΔx слоев в направлении, касательном к силам.

Пример 12.10

Старая книжная полка

Уборщик пытается передвинуть тяжелый старый книжный шкаф на ковровом покрытии, нажимая по касательной на поверхность самой верхней полки.Однако единственный заметный эффект от этого усилия аналогичен тому, что показан на рис. 12.24, и он исчезает, когда человек прекращает тужиться. Книжный шкаф имеет высоту 180,0 см и ширину 90,0 см с четырьмя полками глубиной 30,0 см, частично заполненными книгами. Общий вес книжного шкафа и книг равен 600,0 Н. Если человек приложил к верхней полке толчок силой 50,0 Н, который сместил верхнюю полку по горизонтали на 15,0 см относительно неподвижной нижней полки, найти модуль сдвига книжного шкафа.

Стратегия

Единственными фрагментами соответствующей информации являются физические размеры книжного шкафа, значение касательной силы и смещение, вызываемое этой силой.Мы определяем F∥=50,0 Н, Δx=15,0 см, F∥=50,0 Н, Δx=15,0 см, L0=180,0 см, L0=180,0 см и A=(30,0 см)(90,0 см)=2700,0 см2,A =(30,0 см)(90,0 см)=2700,0 см2, и мы используем уравнение 12.43 для вычисления модуля сдвига.

Решение

Подставляя числа в уравнения, получаем для модуля сдвига S=F∥AL0Δx=50,0N2700,0см2180,0см.15,0см.=29Нсм2=29×104Нм2=209×103Па=2,222 кПа.S=F∥AL0Δx=50,0N2700,0см2180,0см.15,0см.=29Нсм2=29 ×104 Нм2=209×103Па=2,222 кПа.

Мы также можем найти касательное напряжение и деформацию соответственно:

Ф∥А=50.0N2700,0см2=527кПа=185,2 ПаΔxL0=15,0см180,0см=112=0,083.F∥A=50,0N2700,0см2=527кПа=185,2 ПаΔxL0=15,0см180,0см=112=0,083.

Значение

Если человек в этом примере сильно толкнет полку, может случиться так, что индуцированный сдвиг разрушит ее до груды мусора. Во многом тот же механизм сдвига отвечает за разрушение засыпанных землей плотин и дамб; и, вообще, для оползней.

Проверьте свое понимание 12.12

Объясните, почему понятия модуля Юнга и модуля сдвига неприменимы к жидкостям.