27.1 : Энергия деформации

Энергия деформации это фундаментальное понятие в области материаловедения и строительной инженерии, описывающее энергию, поглощаемую материалом или конструкцией, когда она деформируется под нагрузкой.

Рассмотрим стержень, закрепленный на одном конце и подверженный осевой силе на свободном конце. Эта осевая сила вызывает напряжение внутри стержня, что приводит к его удлинению. По мере увеличения осевой силы увеличивается и удлинение стержня, что иллюстрирует прямую связь между приложенной силой и результирующей деформацией. Это поведение можно графически представить графиком нагрузки-деформации.

Работа, совершаемая осевой силой для удлинения стержня на небольшую величину, равна произведению силы и соответствующего удлинения. Графически эта работа соответствует площади под кривой нагрузка-деформация для заданного удлинения. Чтобы рассчитать общую работу, совершаемую стержнем при любом заданном удлинении, необходимо проинтегрировать уравнение силы-удлинения по предельным значениям удлинения. Эта общая работа представляет собой энергию, поступившую в систему, которая сохраняется в виде энергии деформации. В пределах упругости материала энергия деформации U, запасенная в материале вследствие упругой деформации, пропорциональна квадрату удлинения.

Концепция энергии деформации позволяет инженерам количественно оценить способность материала или компонента поглощать энергию, что важно для оценки его способности выдерживать нагрузки без необратимых деформаций или разрушений. Энергия деформации также играет ключевую роль в различных инженерных приложениях, таких как проектирование амортизаторов, устройств накопления энергии и при анализе ударных сил.