圧縮（物理学）

力学において、圧縮とは、材料または構造物の異なる点に、均衡のとれた内向き（「押す」）力を加えることであり、つまり、一方向または複数の方向において、その大きさを縮小させるような、正味の合計またはトルクのない力である。[ 1 ]これ^は^、^均衡のとれた外向き（「引っ張る」）力を加える張力または牽引力、そして材料の層を互いに平行に変位させるせん断力と対比される。材料および構造物の圧縮強度は、工学上重要な考慮事項である。

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加えられることもあります。たとえば、板の縁に沿って内側に、または円筒の側面全体にかけて面積を減少させる（二軸圧縮）、あるいは物体の表面全体にかけて体積を減少させるなどです。

技術的には、法線方向の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方向である場合、材料はに沿って法線圧縮応力または純圧縮応力を受けていると言われます。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応力を受けている場合があります。応力ベクトルが純圧縮性で、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、または体積圧縮を受けていると言われます。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ように、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。

縦方向の機械波では、媒体が波の方向に変位し、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応力）を受けると、あらゆる物質は、たとえ知覚できない程度であっても、ある程度の変形を起こし、原子や分子の平均的な相対位置を変化させます。この変形は永続的である場合もあれば、圧縮力が消失すると元に戻る場合もあります。後者の場合、変形は圧縮力に対抗する反作用力を生み出し、最終的には両者を釣り合わせることもあります。^{[ 4 ]}

液体と気体は、一軸圧縮または二軸圧縮には耐えられず、瞬時に永久的に変形し、永久的な反力は発生しません。しかし、等方性圧縮には耐えることができ、また、例えば音波のように、他の方法で瞬間的に圧縮されることもあります。

一般的な材料は、等方圧縮を受けると体積が収縮し、一様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。圧縮を受けない方向で何が起こるかは材料によって異なります。^{[ 4 ]} ほとんどの材料はこ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、あるいは収縮することもあります。一般的に、材料に作用する応力とその結果生じる変形の関係は、連続体力学の中心的なテーマです。

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影響を及ぼします。

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る。^{[ 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、しばしば高度に圧縮された状態で貯蔵・輸送されます。また、軽く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のにも使用されます。圧縮された液体は、油圧装置や水圧破砕法に使用されます。

エンジン内

内燃機関

内燃機関では、爆発性混合気は点火前に圧縮されます。この圧縮によってエンジンの効率が向上します。例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、1回目の前進ストロークでシリンダー内に吸入された燃料が圧縮されます。^{[ 6 ]}

蒸気機関

この用語は、蒸気機関の排気弁を閉じ、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を遮断する仕組みを指します。この蒸気はストローク完了時に圧縮され、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

^フェルディナンド・ピエール・ビア、エルウッド・ラッセル・ジョンストン、ジョン・T・デウルフ（1992年）『材料力学』（書籍）マグロウヒル・プロフェッショナル、 ISBN 0-07-112939-1
^ Erkens, Sandra & Poot, M. 単軸圧縮試験. デルフト工科大学. (1998). 報告書番号: 7-98-117-4.
^ロナルド・L・ヒューストン、ハロルド・ジョセフス（2009年）「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
^ ^a ^b 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年5月1日).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、利用. ビルクハウザー. p. 190. ISBN 978-0-387-98744-6。

[Beer-1] フェルディナンド・ピエール・ビア、エルウッド・ラッセル・ジョンストン、ジョン・T・デウルフ（1992年）『材料力学』（書籍）マグロウヒル・プロフェッショナル、 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). 報告書番号: 7-98-117-4.

[3] ロナルド・L・ヒューストン、ハロルド・ジョセフス（2009年）「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年5月1日).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、利用. ビルクハウザー. p. 190. ISBN 978-0-387-98744-6。

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