Деформация называется упругой, если после прекращения действия внешних сил тело принимает первоначальные размеры и форму. Деформации, которые сохраняются в теле после прекращения действия внешних сил, называются пластическими (или остаточными). Деформации реального тела всегда пластические, так как они после прекращения действия внешних сил никогда полностью не исчезают. Однако если остаточные деформации малы, то ими можно пренебречь и рассматривать упругие деформации, что мы и будем делать.

Упругая деформация, деформация, которая исчезает при снятии нагрузки. Для этого деформация не должна превосходить некоторого предела, называемого пределом упругости; в противном случаев теле наблюдаются остаточные деформации.

ОСТАТОЧНАЯ ДЕФОРМАЦИЯ — (Permanent deformation) деформация, которая после прекращения действий внешней силы сохраняется в деформируемом теле в виде пластической деформации.

Простейшая элементарная деформация.

Простейшей элементарной деформацией является относительное удлинение некоторого элемента:

(e)=(l₂-l₁)/l₁ где l₂ — длина элемента после деформации; l₁ — исходная длина этого элемента.

Растяжение-сжатие.

Растяжение-сжатие — в сопротивлении материалов — вид продольной деформации стержня или бруса, возникающий в том случае, если нагрузка к нему прикладывается по его продольной оси (равнодействующая сил, воздействующих на него, нормальна поперечному сечению стержня и проходит через его центр масс).

Называется также одноосным или линейным напряжённым состоянием. Является одним из основных видов напряжённого состояния параллелепипеда. Может быть также двух- и трёх-осным. Вызывается как силами, приложенными к концам стержня, так и силами, распределёнными по объёму (силы инерции и тяготения).

Растяжение вызывает удлинение стержня (также возможен разрыв и остаточная деформация), сжатие вызывает укорочение стержня (возможна потеря устойчивости и возникновение продольного изгиба).

В поперечных сечениях бруса возникает один внутренний силовой фактор — нормальная сила. Если растягивающая или сжимающая сила параллельна продольной оси бруса, но не проходит через неё, то стержень испытывает т. н. внецентренное растяжение (сжатие). В этом случае за счёт эксцентриситета приложения нагрузки в стержне кроме растягивающих (сжимающих) напряжений возникают ещё и изгибные напряжения.

Напряжение вдоль оси прямо пропорционально растягивающей или сжимающей силе и обратно пропорционально площади поперечного сечения. При упругой деформации между напряжением и относительной деформацией определяется законом Гука, при этом поперечные относительные деформации выводятся из продольных путём умножения их на коэффициент Пуассона. Пластическая деформация, предшествующая разрушению части материала, описывается нелинейными законами.

Зако́н Гу́ка — уравнение теории упругости, связывающее напряжение и деформацию упругой среды. Открыт в 1660 году английским учёным Робертом Гуком (Хуком) (англ. Robert Hooke). Поскольку закон Гука записывается для малых напряжений и деформаций, он имеет вид простой пропорциональности.

В словесной форме закон звучит следующим образом:

Сила упругости, возникающая в теле при его деформации, прямо пропорциональна величине этой деформации

Для тонкого растяжимого стержня закон Гука имеет вид:

Здесь F — сила натяжения стержня, Δl — абсолютное удлинение (сжатие) стержня, а k называется коэффициентом упругости (или жёсткости).

Коэффициент упругости зависит как от свойств материала, так и от размеров стержня.

Модуль Юнга (модуль упругости) — коэффициент, характеризующий сопротивление материала растяжению/сжатию при упругой деформации. Назван в честь английского физика XIX века Томаса Юнга. В динамических задачах механики модуль Юнга рассматривается в более общем смысле — как функционал среды и процесса.

Модуль Юнга рассчитывается следующим образом:

где:

• E — модуль упругости, измеряемый в паскалях

• F — сила в ньютонах,

• S — площадь поверхности, по которой распределено действие силы,

• l — длина деформируемого стержня,

• x — модуль изменения длины стержня в результате упругой деформации (измеренного в тех же единицах, что и длина l).

Коэффициент Пуассона (обозначается как ν или μ) характеризует упругие свойства материала. При приложении к телу растягивающего усилия оно начинает удлиняться (то есть продольная длина увеличивается), а поперечное сечение уменьшается. Коэффициент Пуассона показывает, во сколько раз изменяется поперечное сечение деформируемого тела при его растяжении или сжатии. Для абсолютно хрупкого материала коэффициент Пуассона равен 0, для абсолютно упругого — 0,5. Для большинства сталей этот коэффициент лежит в районе 0,3, для резины он примерно равен 0,5. (Измеряется в относительных единицах: мм/мм, м/м).

Известно,что величина растягивающей силы F и величина удлиненияΔℓобразцов из одного материала зависят от их размеров. Чтобы можно было сравнить результаты испытаний образцов различных размеров,изготовленных из одинаковых материалов,диаграмму растяжения перестраивают в координатахσ = F/Aи ε = Δℓ/ℓ , где А – первоначальная площадь сечения образцов; ℓ– первоначальная длина рабочей части образца.Эту диаграммуσ = f(ε) называют диаграммой напряжений или условной диаграммой растяжения,вид которойпочти не зависит от абсолютных размеров используемых при испытании образцов, аопределяется свойствами материала.Типовая диаграмма напряжений при растяжении образцов из пластичных материалов(рис. 1, в) характеризуется следующими участками.Участок длиной ОА до некоторого напряженияσpr,называемого пределом пропорциональности,представляет прямую линию.На этом участкесправедлив закон Гука и величина абсолютной деформацииΔℓпрямо пропорциональна растягивающему усилию F,а относительная деформацияε –напряжениюσ.

После достижения предела пропорциональностиσprдеформацииε растут не прямо пропорционально напряжениямσ, а быстрее. Начиная с некоторой точки В, лежащей уже на криволинейном участке диаграммы,замечено появление незначительных(0,05%) остаточных деформаций,до точки В деформации еще упругие.Точке В соответствуетпредел упругости материала σe– то наибольшее напряжение,до которого в материале появляются только упругие деформации.Предел упругости практически совпадает с пределом пропорциональности и эти величины обычно не разграничиваются.Например, для стали Ст3 предел пропорциональностиσpr ≈ 210 МПа, а предел упругости σe ≈ 220 МПа.

На рисунке 2 приведена диаграмма напряжений при растяжении для данного материала. Рисунок 2 – Диаграмма напряжений при растяжении где - предел пропорциональности, - текучести, -прочности.

Сдвиг — в сопротивлении материалов — вид продольной деформации бруса, возникающий в том случае, если сила прикладывается касательно его поверхности (при этом нижняя часть бруска закреплена неподвижно).

Изгиб.

Изгиб — вид деформации, при котором происходит искривление осей прямых брусьев или изменение кривизны осей кривых брусьев. Изгиб связан с возникновением в поперечных сечениях бруса изгибающих моментов. Прямой изгиб возникает в случае, когда изгибающий момент в данном поперечном сечении бруса действует в плоскости, проходящей через одну из главных центральных осей инерции этого сечения. В случае, когда плоскость действия изгибающего момента в данном поперечном сечении бруса не проходит ни через одну из главных осей инерции этого сечения, называется косым.

Если при прямом или косом изгибе в поперечном сечении бруса действует только изгибающий момент, то соответственно имеется чистый прямой или чистый косой изгиб. Если в поперечном сечение действует также и поперечная сила, то имеется поперечный прямой или поперечный косой изгиб.

Часто термин «прямой» в названии прямого чистого и прямого поперечного изгиба не употребляют и их называют соответственно чистым изгибом и поперечным изгибом.

Кручение.

Кручение — один из видов деформации тела. Возникает в том случае, если нагрузка прикладывается к телу в виде пары сил (момента) в его поперечной плоскости. При этом в поперечных сечениях тела возникает только один внутренний силовой фактор — крутящий момент. На кручение работают пружины растяжения-сжатия и валы.

В материаловедении модулем сдвига (обозначается буквой G или μ), называется отношение касательного напряжения к сдвиговой деформации

где

— касательное напряжение;

F — действующая сила;

A — площадь, на которую действует сила;

— сдвиговая деформация;

Δx — смещение;

I — начальная длина.

Модуль сдвига измеряется в ГПа (гигапаскалях). Модуль сдвига — одна из нескольких величин, характеризующих упругие свойства материала. Все они возникают в обобщённом законе Гука:

• Модуль Юнга описывает поведение материала при одноосном растяжении,

• модуль объёмного сжатия описывает поведение материала при всестороннем сжатии,

• модуль сдвига описывает отклик материала на сдвиговую нагрузку.

Модуль сдвига связан с модулем Юнга через коэффициент Пуассона:

где ν - значение коэффициента Пуассона для данного материала.

Те́нзор напряже́ний — тензор второго ранга, состоящий из девяти величин, представляющих механические напряжения в произвольной точке нагруженного тела. Эти девять величин записываются в виде таблицы, в которой по главной диагонали стоят нормальные напряжения в трёх взаимно перпендикулярных осях, а в остальных позициях — касательные напряжения, действующие на трёх взаимно перпендикулярных плоскостях.

компонентами тензора напряжений называют отношение проекций силы к величине площади грани, на которой действует эта сила:

По индексу i здесь суммирования нет. Компоненты σ₁₁, σ₂₂,σ₃₃, обозначаемые также как σ_xx, σ_yy,σ_zz — это нормальные напряжения, они представляют собой отношение проекции силы dF_i на нормаль к рассматриваемой грани dS_i:

Колеба́ния — повторяющийся в той или иной степени во времени процесс изменения состояний системы около точки равновесия. Например, при колебаниях маятника повторяются отклонения его в ту и другую сторону от вертикального положения; при колебаниях в электрическом колебательном контуре повторяются величина и направление тока, текущего через катушку.

Колебания почти всегда связаны с попеременным превращением энергии одной формы проявления в другую форму.

Характеристики

• Амплитуда — максимальное отклонение колеблющейся величины от некоторого усреднённого её значения для системы, (м)

• Период — промежуток времени, через который повторяются какие-либо показатели состояния системы (система совершает одно полное колебание), (сек)

• Частота — число колебаний в единицу времени, (Гц, сек⁻¹).

Период колебаний и частота — обратные величины;

и

В круговых или циклических процессах вместо характеристики «частота» используется понятие круговая (циклическая) частота (рад/сек, Гц, сек⁻¹), показывающая число колебаний за 2π единиц времени:

• Смещение — отклонение тела от положения равновесия. Обозначение Х, Единица измерения метр.

• Фаза колебаний — определяет смещение в любой момент времени, то есть определяет состояние колебательной системы.

Собственные колебания, свободные колебания, колебания в механической, электрической или какой-либо другой физической системе, совершающиеся при отсутствии внешнего воздействия за счёт первоначально накопленной энергии (вследствие наличия начального смещения или начальной скорости). Характер С. к. определяется главным образом собственными параметрами системы (массой, индуктивностью, ёмкостью, упругостью). В реальных системах вследствие рассеяния энергии С. к. всегда затухающие, а при больших потерях они становятся апериодическими.

Вынужденные колебания, колебания, возникающие в какой-либо системе под действием переменной внешней силы (например, колебания мембраны телефона под действием переменного магнитного поля, колебания механической конструкции под действием переменной нагрузки и т.д.). Характер В. к. определяется как характером внешней силы, так и свойствами самой системы. В начале действия периодической внешней силы характер В. к. изменяется со временем (в частности, В. к. не являются периодическими), и лишь по прошествии некоторого времени в системе устанавливаются периодические В. к. с периодом, равным периоду внешней силы (установившиеся В. к.). Установление В. к. в колебательной системе происходит тем быстрее, чем больше затухание колебаний в этой системе.

Математи́ческий ма́ятник — осциллятор, представляющий собой механическую систему, состоящую из материальной точки, находящейся на невесомой нерастяжимой нити или на невесомом стержне в однородном поле сил тяготения. Период малых собственных колебаний математического маятника длины l неподвижно подвешенного в однородном поле тяжести с ускорением свободного падения g равен

и не зависит^[1] от амплитуды и массы маятника.

Физический маятник — осциллятор, представляющий собой твёрдое тело, совершающее колебания в поле каких-либо сил относительно точки, не являющейся центром масс этого тела, или неподвижной оси, перпендикулярной направлению действия сил и не проходящей через центр масс этого тела.

Определения

• — угол отклонения маятника от равновесия;

• — начальный угол отклонения маятника;

• — масса маятника;

• — расстояние от точки подвеса до центра тяжести маятника;

• — радиус инерции относительно оси, проходящей через центр тяжести.

• — ускорение свободного падения.

Момент инерции относительно оси, проходящей через точку подвеса:

Затухающие колебания — колебания, энергия которых уменьшается с течением времени. Бесконечно длящийся процесс вида в природе невозможен. Свободные колебания любого осциллятора рано или поздно затухают и прекращаются. Поэтому на практике обычно имеют дело с затухающими колебаниями. Они характеризуются тем, что амплитуда колебаний A является убывающей функцией. Обычно затухание происходит под действием сил сопротивления среды, наиболее часто выражаемых линейной зависимостью от скорости колебаний или её квадрата.

Частота колебаний, число полных колебаний в единицу времени. Для гармонических колебаний Ч. к. ƞ= 1/T, где Т — период колебаний. Единица Ч. к. — одно колебание в секунду, или герц. Часто пользуются величиной w = 2¶ *ƞ, которая называется циклической или круговой частотой.