Деформация в физике и технике¶

Деформация — изменение формы или размеров тела (или его части) под действием внешних сил, нагрева, фазовых превращений и других факторов, при котором меняется взаимное расположение частиц вещества без изменения их количества. Количественно деформация описывается через смещения точек тела относительно друг друга; если после снятия нагрузки форма полностью восстанавливается, деформация называется упругой, если остаётся — пластической.

¶Общие представления

В физике и сопротивлении материалов деформацию рассматривают как непрерывное поле: каждой точке тела сопоставляется вектор перемещения, а мерой деформации служат относительные величины — удлинение, сдвиг, изменение объёма. Для малых деформаций справедлив закон Гука: напряжение пропорционально относительной деформации, а коэффициент пропорциональности — модуль упругости (модуль Юнга, модуль сдвига). За пределами линейного участка зависимость становится нелинейной, затем наступает предел текучести, а при дальнейшем нагружении — разрушение.

Основные виды простых деформаций:

• растяжение и сжатие — изменение длины вдоль оси;
• сдвиг — смещение параллельных слоёв друг относительно друга;
• кручение — поворот поперечных сечений вокруг оси;
• изгиб — сочетание растяжения и сжатия в разных зонах сечения.

Сложные деформации реальных конструкций обычно раскладывают на комбинацию этих простых схем.

¶Упругая и пластическая деформация

Упругая деформация обратима: атомы смещаются из положений равновесия, но межатомные силы возвращают их обратно. Именно на упругости основаны пружины, мембраны, упругие элементы приборов. Пластическая деформация связана с необратимым перемещением дислокаций — линейных дефектов кристаллической решётки; после снятия нагрузки тело сохраняет новую форму. Пластичность важна в обработке металлов давлением: прокатке, ковке, штамповке, волочении.

Промежуточные явления — ползучесть (медленная деформация под постоянной нагрузкой при повышенной температуре) и релаксация напряжений. Их учитывают при расчёте турбин, реакторов, трубопроводов, работающих десятилетиями.

¶Измерение и расчёт

Деформации измеряют тензометрами, тензорезисторами, оптическими и лазерными методами, а также методами голографической интерферометрии. В инженерных расчётах используют теорию упругости, теорию пластичности и численные методы — метод конечных элементов. Расчёт ведут по предельным состояниям: по прочности, по жёсткости, по устойчивости. Нормируемые величины — допускаемые напряжения и допускаемые перемещения — задаются строительными нормами и правилами (в России — сводами правил и ГОСТами).

¶Деформация в материаловедении и геологии

В металлургии наклёп (нагартовка) повышает прочность и твёрдость за счёт роста плотности дислокаций, но снижает пластичность; отжиг снимает наклёп и возвращает пластичность. В геологии деформации горных пород приводят к складкам, разломам, надвигам; различают хрупкое разрушение и пластическое течение, зависящее от температуры, давления и скорости нагружения. Тектонические деформации формируют горные хребты и впадины.

¶Деформация в строительстве

Для зданий и сооружений нормируют осадки фундаментов, крены, прогибы перекрытий и температурные удлинения. Неравномерная осадка вызывает трещины; для компенсации температурных деформаций устраивают деформационные швы. В мостах, плотинах и высотных зданиях закладывают датчики и ведут мониторинг, чтобы отслеживать изменения геометрии.

¶Деформация в других областях

Термин используют шире физического контекста. В медицине говорят о деформации суставов, позвоночника, грудной клетки при заболеваниях и травмах. В лингвистике — о деформации слова при словоизменении или об искажении заимствований. В социологии и публицистике — о деформации общественных институтов, норм, ценностей, что означает их искажение относительно исходного состояния. В психологии — о деформации личности и профессиональной деформации, то есть изменении характера и установок под влиянием длительной деятельности.

¶Значение

Понимание деформации лежит в основе расчёта и проектирования машин, конструкций, приборов, а также технологий обработки материалов. Оно определяет надёжность, долговечность и безопасность технических объектов и позволяет прогнозировать поведение материалов и пород в экстремальных условиях.

Источники: учебники по сопротивлению материалов и теории упругости, справочники по материаловедению, строительные нормы и правила, энциклопедические словари по физике и геологии.