Механічна напруга: визначення, формула, одиниці вимірювання

Ступінь зміни форми тіла при деформації залежить не тільки від природи речовини, а й такою фізичною величиною, як механічна напруга. Якщо розглядати атомну кристалічну решітку такої речовини, можна відзначити постійну взаємодію молекул один з одним. Цей стан безпосередньо впливає на величину механічної напруги.

Зміст матеріалу

Що таке деформація? Види деформації

Явище, при якому відбувається зміна форми тіла під дією будь-якої зовнішньої сили, називається деформацією. Її природа полягає в русі молекул речовини або цілих шарів кристалічної решітки, що призводить до виникнення так званих дефектів. Ступінь деформування залежить від багатьох факторів, серед яких ми розглянемо механічну напругу.

Виділяють декілька видів зміни форми тіла:

• Деформація розтягнення, коли зовнішня сила впливає вздовж усього тіла. Має прикладне значення при виготовленні мотузок, тросів і будівельних матеріалів;
• Деформація стиснення. У цьому випадку вектор дії зовнішньої сили збігається з поздовжньою віссю тіла, однак він спрямований у бік центру цього тіла. Застосовується цей вид деформування при виготовленні металу та будівельних матеріалів для надання їм міцності;
• Деформація зрушення виникає під дією зовнішньої сили, яка спрямована перпендикулярно поздовжньої осі і викликає рух різних площин тіла відносно один одного;
• Деформація вигину характеризується викривленням головної осі тіла, наприклад, коли є дві точки опори. Сила, яку може витримати той чи інший предмет, а також механічна напруга відіграють велику роль при створенні будівельних матеріалів;
• Деформація кручення виникає при повороті тіла навколо його поздовжньої вісі. Цей вид деформації можна наочно продемонструвати на пружинці, яка після припинення впливу зовнішньої сили відновить свою форму.

Упруга і пластична деформація

Механічна напруга, яка залежить від природи речовини, впливає на здатність тіла відновлювати свою первісну форму після виникнення дефекту в кристалічній решітці. За цією ознакою виділяють упругу і пластичну деформацію.

При пластичній деформації тіло після впливу зовнішньої сили не здатне відновити колишню форму. Наприклад, пластилін при надаванні на нього пальцем зберігає ямку, що утворилася.

Упруга деформація характерна для тих речовин, які здатні відновлювати свою початкову форму після впливу на них зовнішньої сили. Прикладом може служити та ж пружина, яка при будь-якому описаному вище вигляді деформації повертається в початковий стан.

Механічна напруга: формула і визначення

Величина механічної напруги характеризується внутрішніми силами молекул, які спрямовані проти тиску і деформації тіла, на одиницю площі.

Розрізняють два види напруги:

• Нормальна напруга додана на одиницю площі перерізу, паралельного головної осі тіла.
• Дотична механічна напруга додана на одиницю площі перерізу будь-якої іншої площини перерізу.

Для математичного обчислення механічної напруги використовується формула: Q=F/S.

Одиниці механічної напруги

Величина Q в СІ вимірюється в паскалях (Па) і залежить від внутрішньої сили опору деформації, а також площі тіла. Зараз можна зустріти й інші одиниці вимірювання механічної напруги. Серед них атмосфера, торр, бар, фізична і технічна атмосфера, метр водяного стовпа, міліметр (дюйм) ртутного стовпа, фунт-сила на квадратний дюйм тощо.

Одиниця виміру напруги — позначення, формули, види

Для характеристики дії електричного поля використовують таке поняття як “напруга”. Електрична напруга є фізичною величиною, що позначає величину роботи, яку здійснює електричне поле для зміни координати (з точки A в точку B) заряду напруженістю в 1 кулон.

Одиницю виміру напруги прийнято називати Вольтом, на честь відомого фізика італійського походження Алессандро Вольта.

Про суть явища

Природа цього явища досить проста. Атоми, що беруть участь в побудові будь-якої речовини, мають позитивно заряджене ядро, навколо якого швидко обертаються електрони, що несуть негативний заряд.

У звичайному стані коли число електронів дорівнює числу протонів в ядрі, які відповідають за позитивну складову заряду, сам атом, в цілому, є нейтрально зарядженим, тобто не володіє зарядом.

Відсутність негативно заряджених електронів призводить атом в стан нестачі цих частинок і він буде прагнути повернутися в початковий стан.

Зворотна ситуація – виникнення зайвих електронів в атомі веде до появи негативного заряду (потенціалу) в цілому. Варто відзначити, що протони не можуть видалятися в цьому випадку, оскільки це змінити всю конфігурацію атома, і він в цьому випадку перетворитися в інший.

Позитивний і негативний потенціали відчувають по відношенню один до одного тяжіння, причому чим різниця цих потенціалів більше, тим сильніше діє це явище.

Електричний струм з’являється в тому випадку, коли потенціали провідників, що мають протилежні заряди, з’єднуються. Виникає так зване цілеспрямоване пересування частинок, що володіють зарядом, які намагаються ліквідувати різницю потенціалів.

Вимірювання напруги

Напруга у фізиці – це електрорушійна сила (ЕРС), яка «пересуває» електрони від одного атом до іншого в певному напрямку. Перші дні електрики були пов’язані саме з цим визначенням, тому в деяких рівняннях, наприклад, в законі Ома, напруга позначається буквою E. У всіх інших випадках прийнято застосовувати значок U.

У нинішній міжнародній системі одиниць (СІ) позначено в яких одиницях вимірюється напруга: вольт є одиницею виміру.

В Україні вольт позначається за допомогою кирилиці – В, а міжнародним позначенням є буква латинського алфавіту — V.

Один вольт може визначатися по-різному:

• 1 в = 1 Дж/1 Кл – найпоширеніше, де одиниця напруги дорівнює роботі в 1 джоуль, що здійснюється над зарядом в 1 кулон при зміні координати цього заряду;
• 1 в = 1 Вт/1а — напруга, що викликає в ланцюзі постійний струм силою в 1 ампер і потужністю 1 ватт.

Розмірність 1 В можна масштабувати приставками: 1 в = 1 000 мВ = 1 000 000 мкВ.

Виміряти різницю потенціалів можна за допомогою спеціального приладу — вольтметра. Цей інструмент служить для безпосереднього підрахунку ЕРС або U в ланцюгах електричного струму. Він підключається до контуру паралельно навантаженню, джерела електричної енергії.

Існують різні типи напруги – постійна та змінна. Наприклад, в розетках, що знаходяться у звичайній квартирі або приватному будинку, спостерігається змінна напруга, а у звичайних «пальчикових» (AA) або «мізинчикових» (AAA) батарейках — постійна.

Змінну напругу можна підвищити або знизити за допомогою трансформатора або випрямити (зробити постійною) іншим спеціальним пристроєм. Для правильного вимірювання напруги необхідно знати про деякі особливості різних її видів.

Постійний струм

Вимірювання такого виду напруги можливе при використанні магнітоелектричних пристроїв. Сьогодні існує безліч високоточних пристроїв подібного типу, деякі з яких навіть оснащені цифровим дисплеєм.

Найпростішим варіантом буде безпосереднє підключення приладу до контуру ланцюга, але при цьому слід дотримуватися наступних правил:

• Граничне значення на шкалі пристрою має бути більше передбачуваного максимуму.
• Необхідно враховувати, яка полярність приєднання, інакше шкала буде відхилятися в протилежну сторону.

Змінний струм

В цьому випадку магнітоелектричні пристрої будуть непридатними для здійснення вимірів, але існує величезний арсенал інших приладів різноманітних видів, здатних виконати завдання по вимірюванню змінного струму. Здійснюють роботу з такими апаратами за допомогою приєднання до виходу випрямляча.

Фактори, що впливають на напругу

Значення показника, яке фіксується на ділянці ланцюга, може залежати від ряду факторів.

• приєднане навантаження, тобто опір ланцюга;
• природа і фізичні характеристики речовини, з якої зроблений матеріал провідника;
• умови навколишнього середовища (температура та інше);
• інші фактори.

Ефект Джозефсона

Необхідно згадати і про ефект Джозефсона – феномен надпровідного струму, який проходить крізь шар діелектричної речовини невеликої товщини, що ізолює два надпровідних предметів. Вчений у своїй науковій праці висловив припущення про те, що це явище можна спостерігати тільки при використанні супертонкого шару, який повинен бути значно менше довжини надпровідної когерентності, але досліди, виконані пізніше, показали можливість здійснення експерименту і при використанні набагато товщих прошарків.

Знання про цей феномен дозволило здійснювати високоточне вимірювання як напруги, так і магнітних полів.

Джозефсонський перехід також може бути виробником електромагнітної хвильової напруги. Це відбувається, коли в ньому підтримується постійна напруга. Також можливо спорудити установку зі зворотним ефектом. При цьому як виробництво, так і поглинання проявляють здатність працювати в такому діапазоні частот, який недоступний іншим інструментам.

Напруга може виражатися різницею потенціалів або ЕРС, а позначається воно знаками E або U (майже завжди U). Вимірюється напруга вольтметром та іншими приладами. Також не треба забувати, що існує ряд факторів, які можуть вплинути на різницю потенціалів в провіднику.

Механічні напруження

Механічне напруга – це міра внутрішніх сил, що виникають в деформується тілі під впливом різних факторів. Механічне напруження в точці тіла визначається як відношення внутрішньої сили до одиниці площі в даній точці розглянутого перерізу.

Напруження є результатом взаємодії частинок тіла при його навантаженні. Зовнішні сили прагнуть змінити взаємне розташування частинок, а виникаючі при цьому напруги перешкоджають зсуву часток, обмежуючи його в більшості випадків деякою малою величиною.

Q =F/S Q - механічне напруження. F - сила, що виникла в тілі при деформації. S - площа.

Розрізняють дві складові вектора механічного напруги:

Нормальне механічне напруження - докладено на одиничну площадку перетину, по нормалі до перетину (позначається σ ). Дотичне механічне напруження - докладено на одиничну площадку перетину, в площині перерізу по дотичній (позначається τ ).

Сукупність напружень, що діють за різними майданчикам, проведеним через дану точку, називається напруженим станом у точці.

В системі СІ механічне напруження вимірюється в паскалях. 

Тензор механічної напруги

Повний тензор механічної напруги елементарного об'єму тіла. Буквою σ позначені нормальні механічні напруги, а дотичні буквою τ.

Більш строго механічне напруження – тензорна величина. Компоненти тензора напружень σij дорівнюють відношенню компоненти сили ∆F_i , Що діє на елементарну площадку ∆S до її площі:

Тут під ∆S_j розуміються компоненти вектора, утвореного із нормалі до елементарної майданчику n ⃗ і її площі ∆S :

Таким чином сила, що діє на якийсь обсяг V дорівнює інтегралу тензора напруги на кордоні цього обсягу по поверхні цього обсягу S (За відсутності об’ємних сил):