Kompression (fysik)

Enaxlig kompression

Inom mekanik är kompression appliceringen av balanserade inåtgående ("skjutande") krafter till olika punkter på ett material eller struktur , det vill säga krafter utan nettosumma eller vridmoment riktade för att minska dess storlek i en eller flera riktningar . Det kontrasteras med spänning eller dragkraft, applicering av balanserade utåtgående ("dragande") krafter; och med skjuvkrafter , riktade för att förskjuta skikt av materialet parallellt med varandra. Tryckhållfastheten hos material och strukturer är en viktig teknisk faktor .

Vid enaxlig kompression riktas krafterna endast i en riktning, så att de verkar mot att minska objektets längd längs den riktningen. Tryckkrafterna kan också appliceras i flera riktningar; till exempel inåt längs kanterna på en platta eller över hela sidoytan på en cylinder , för att minska dess area ( biaxiell kompression ), eller inåt över hela ytan av en kropp, för att minska dess volym .

Tekniskt sett är ett material under ett tillstånd av kompression, vid någon specifik punkt och längs en specifik riktning $x$ , om den normala komponenten av spänningsvektorn över en yta med normal riktning x { $displaystyle x}$ är riktad motsatt till $x$ . Om själva spänningsvektorn är motsatt $x$ sägs materialet vara under normal kompression eller ren tryckspänning längs $x$ . I en solid beror mängden kompression i allmänhet på riktningen $x$ , och materialet kan vara under kompression längs vissa riktningar men under dragkraft längs andra. Om spänningsvektorn är rent kompressiv och har samma storlek för alla riktningar, sägs materialet vara under isotrop eller hydrostatisk kompression vid den punkten. Detta är den enda typen av statisk kompression som vätskor och gaser kan bära.

I en mekanisk våg som är longitudinell förskjuts mediet i vågens riktning, vilket resulterar i områden med kompression och sällsynthet .

Effekter

När de utsätts för kompression (eller någon annan typ av stress), kommer varje material att drabbas av viss deformation, även om den är omärklig, som gör att den genomsnittliga relativa positionen för dess atomer och molekyler förändras. Deformationen kan vara permanent, eller kan vändas när kompressionskrafterna försvinner. I det senare fallet ger deformationen upphov till reaktionskrafter som motverkar kompressionskrafterna och kan så småningom balansera dem.

Vätskor och gaser kan inte tåla konstant enaxlig eller biaxiell kompression, de kommer att deformeras snabbt och permanent och kommer inte att erbjuda någon permanent reaktionskraft. Men de kan bära isotropisk komprimering, och kan komprimeras på andra sätt momentant, till exempel i en ljudvåg .

Att dra åt en korsett applicerar biaxiell kompression på midjan.

Varje vanligt material kommer att dra ihop sig i volym när det sätts under isotropisk kompression, dra ihop sig i tvärsnittsarea när det sätts under enhetlig biaxiell kompression och dra ihop sig i längd när det sätts i enaxlig kompression. Deformationen kanske inte är enhetlig och kanske inte är i linje med kompressionskrafterna. Vad som händer i de riktningar där det inte finns någon kompression beror på materialet. De flesta material kommer att expandera i dessa riktningar, men vissa specialmaterial kommer att förbli oförändrade eller till och med dra ihop sig. I allmänhet är förhållandet mellan spänningen som appliceras på ett material och den resulterande deformationen ett centralt ämne inom kontinuummekaniken .

Används

Kompressionstest på en universell testmaskin

Kompression av fasta ämnen har många implikationer inom materialvetenskap , fysik och konstruktionsteknik , för kompression ger märkbara mängder stress och spänningar .

Genom att inducera kompression kan mekaniska egenskaper såsom tryckhållfasthet eller elasticitetsmodul mätas.

Kompressionsmaskiner sträcker sig från mycket små bordsskivor till sådana med över 53 MN kapacitet.

Gaser lagras och transporteras ofta i högt komprimerad form, för att spara utrymme. Lätt komprimerad luft eller andra gaser används också för att fylla ballonger , gummibåtar och andra uppblåsbara strukturer . Komprimerade vätskor används i hydraulisk utrustning och i fracking .

I motorer

Förbränningsmotorer

I förbränningsmotorer komprimeras den explosiva blandningen innan den antänds; kompressionen förbättrar motorns effektivitet. I Otto-cykeln , till exempel, påverkar kolvens andra slag komprimeringen av laddningen som har dragits in i cylindern vid det första framåtslaget.

Ångmotorer

Termen tillämpas på arrangemanget genom vilket avgasventilen på en ångmaskin görs att stänga, vilket stänger en del av avgasångan i cylindern, innan kolvens slag är helt komplett. När denna ånga komprimeras när slaget avslutas, bildas en kudde mot vilken kolven arbetar samtidigt som dess hastighet snabbt minskas, och sålunda minskar spänningarna i mekanismen på grund av trögheten hos de fram- och återgående delarna. Denna kompression undviker dessutom den chock som annars skulle orsakas av insläppet av den färska ångan för returslaget.

Se även