圧縮（物理学）

一軸圧縮

力学において、圧縮とは、材料または構造の異なる点にバランスのとれた内向き（「押す」）力を加えることであり、つまり、1つまたは複数の方向でサイズを縮小するように向けられた、正味の合計またはトルクのない力です。 ^[1]これは、バランスのとれた外向き（「引っ張る」）力を加える張力または牽引力、および材料の層を互いに平行に変位させるように向けられたせん断力と対照的です。材料と構造の圧縮強度は、重要な工学的考慮事項です。

一軸圧縮では、力は一方向にのみ向けられ、その方向に沿って物体の長さを減少させるように作用します。^{[2]圧縮力は、複数の方向に適用することもできます。たとえば、プレートのエッジに沿って内側に、または}シリンダーの側面全体に適用して面積を減少させたり(二軸圧縮)、物体の表面全体に適用して体積を減少させたりします。

技術的には、法線方向を持つ表面を横切る応力ベクトルの法線成分がと反対方向を向いている場合、材料は特定の点で特定の方向に沿って圧縮状態にあります。応力ベクトル自体がと反対の場合、材料はに沿って法線圧縮または純圧縮応力下にあると言われます。固体では、圧縮の量は一般に方向によって決まり、材料はある方向に沿って圧縮され、他の方向に沿って牽引されている可能性があります。応力ベクトルが純圧縮であり、すべての方向で同じ大きさである場合、材料は等方性圧縮、静水圧圧縮、または体積圧縮下にあると言われます。これは、液体と気体が耐えることができる唯一のタイプの静的圧縮です。 ^{[3]これは、}体積弾性係数と体積ひずみによって定量化される材料の体積に影響します。 $x$ $x$ $x$ $x$ $x$ $x$

圧縮の逆のプロセスは減圧、膨張、または拡張と呼ばれ、物体が拡大したり体積が増加したりします。

縦波である機械波では、媒体は波の方向に変位し、圧縮領域と希薄領域が生じます。

効果

圧縮（またはその他の種類のストレス）を受けると、すべての物質は、たとえ目に見えない程度であっても、原子と分子の平均的な相対位置の変化を引き起こす何らかの変形を被ります。変形は永久的なものである場合もあれば、圧縮力がなくなると元に戻る場合もあります。後者の場合、変形によって圧縮力に対抗する反作用力が生じ、最終的には圧縮力とバランスが取れる可能性があります。^[4]

液体と気体は、安定した一軸または二軸の圧縮に耐えることができず、すぐに永久に変形し、永久的な反力は発生しません。ただし、等方性圧縮には耐えることができ、音波など他の方法で瞬間的に圧縮されることもあります。

あらゆる通常の材料は、等方性圧縮を受けると体積が収縮し、均一な二軸圧縮を受けると断面積が収縮し、一軸圧縮を受けると長さが収縮します。変形は均一ではなく、圧縮力と一致しない場合があります。圧縮されていない方向で何が起こるかは材料によって異なります。^[4] ほとんどの材料はそれらの方向に膨張しますが、一部の特殊な材料は変化せず、収縮することさえあります。一般に、材料にかかる応力と結果として生じる変形の関係は、連続体力学の中心的なトピックです。

用途

固体の圧縮は、顕著な量の応力と張力を生じるため、材料科学、物理学、構造工学において多くの意味を持ちます。

圧縮を誘発することで、圧縮強度や弾性率などの機械的特性を測定することができます。^[5]

圧縮機には、非常に小型の卓上システムから 53 MN を超える容量のものまであります。

ガスは、スペースを節約するために、高度に圧縮された状態で保管および輸送されることが多いです。わずかに圧縮された空気やその他のガスは、風船、ゴムボート、その他の膨張式構造物に充填するためにも使用されます。圧縮された液体は、油圧装置や水圧破砕法で使用されます。

エンジン内

内燃機関

内燃機関では、爆発性混合物は点火される前に圧縮され、圧縮によってエンジンの効率が向上します。たとえば、オットーサイクルでは、ピストンの2回目のストロークで、最初の前進ストロークでシリンダーに吸い込まれた電荷が圧縮されます。^[6]

蒸気機関

この用語は、蒸気機関の排気弁が閉じられ、ピストンのストロークが完全に完了する前にシリンダー内の排気蒸気の一部が遮断される仕組みを指します。この蒸気はストロークが完了すると圧縮され、ピストンの速度が急速に低下する間、クッションが形成され、ピストンはクッションに対して働きます。これにより、往復運動する部品の慣性による機構の応力が軽減されます。^[7]さらに、この圧縮により、戻りストロークで新鮮な蒸気が流入することで発生する衝撃が回避されます。

参照

参考文献

^ Ferdinand Pierre Beer、Elwood Russell Johnston、John T. DeWolf (1992)、「材料力学」 (書籍) McGraw-Hill Professional、ISBN 0-07-112939-1
^ Erkens, Sandra & Poot, M. 単軸圧縮試験。デルフト工科大学。(1998)。レポート番号: 7-98-117-4。
^ ロナルド・L・ヒューストンとハロルド・ジョセフス（2009）「エンジニアリング設計における実践的応力解析」第3版、CRC Press、634ページ。ISBN 9781574447132
^ ab Fung, YC (1977). 連続体力学入門（第2版）. Prentice-Hall, Inc. ISBN 978-0-13-318311-5.
^ ハルツイカー、C.; JW ウェルマン (2001)。エンジニアリング力学。 2巻。スプリンガー。 ISBN 978-1-4020-412
^ ヘイウッド、ジョン（2018-05-01）。内燃機関の基礎2E。マグロウヒルプロフェッショナル。ISBN 978-1-260-11611-3。
^ ワイザー、ウェンデル H. (2000)。エネルギー資源：発生、生産、変換、使用。ビルクハウザー。p. 190。ISBN 978-0-387-98744-6。

[Beer-1] Ferdinand Pierre Beer、Elwood Russell Johnston、John T. DeWolf (1992)、「材料力学」 (書籍) McGraw-Hill Professional、ISBN 0-07-112939-1

[2] Erkens, Sandra & Poot, M. 単軸圧縮試験。デルフト工科大学。(1998)。レポート番号: 7-98-117-4。

[3] ロナルド・L・ヒューストンとハロルド・ジョセフス（2009）「エンジニアリング設計における実践的応力解析」第3版、CRC Press、634ページ。ISBN 9781574447132

[ONE-4] Fung, YC (1977). 連続体力学入門（第2版）. Prentice-Hall, Inc. ISBN 978-0-13-318311-5.

[5] ハルツイカー、C.; JW ウェルマン (2001)。エンジニアリング力学。 2巻。スプリンガー。 ISBN 978-1-4020-412

[6] ヘイウッド、ジョン（2018-05-01）。内燃機関の基礎2E。マグロウヒルプロフェッショナル。ISBN 978-1-260-11611-3。

[Wiser-7] ワイザー、ウェンデル H. (2000)。エネルギー資源：発生、生産、変換、使用。ビルクハウザー。p. 190。ISBN 978-0-387-98744-6。