Что такое термоупругость?

Термоупругость - это изменение размера и формы твердого объекта при колебаниях температуры этого объекта. Более эластичные материалы будут расширяться и сжиматься больше, чем более неэластичные материалы. Ученые используют свое понимание термоупругости для проектирования материалов и объектов, которые могут выдерживать колебания температуры без разрушения.

Ученые поняли уравнения, описывающие термоупругость, на протяжении более 100 лет, но только недавно начали испытания материалов для испытаний на стресс, чтобы определить, насколько они термоупругие. Подвергая материалы воздействию повышающихся и понижающихся температур, инженеры могут прогнозировать, насколько эти материалы будут расширяться или сжиматься при различных температурах. Эти знания важны при сборке машин или несущих конструкций с деталями, которые должны плотно прилегать друг к другу. Понимание принципов термоупругости помогает инженерам проектировать вещи, которые сохраняют свою структурную целостность для диапазона температур.

Принципы термоупругости повлияли на то, как инженеры проектируют ряд различных объектов. Например, знание того, что бетон расширяется при нагревании, является причиной того, что тротуары спроектированы с небольшими пространствами между плитами. Без этих пространств у бетона не было бы места для расширения, что вызывало бы значительную нагрузку на материал и приводило к образованию трещин, разрывов или отверстий. Аналогичным образом, мосты имеют расширительные швы, которые позволяют компонентам расширяться при нагревании.

Все эластичные материалы расширяются при нагревании и сжимаются при охлаждении. Расширение, описываемое формулами термоупругости, обусловлено увеличением движения атомов в материале. Эти атомы остаются связанными друг с другом в виде твердого вещества, но молекулярные связи увеличиваются в размерах, позволяя атомам отходить друг от друга и вызывая рост материала. И наоборот, когда материал охлаждается, атомы движутся меньше, а связи притягивают их ближе друг к другу.

Принципы термоупругости диктуют, что расширение, вызванное увеличением температуры, заставит объект расширяться во всех направлениях. Плиты бетона расширяются навстречу друг другу, от земли и вниз, когда нагреваются. Чашки или другие сосуды также будут расширяться во всех направлениях таким образом, что общий объем, который они могут содержать, увеличивается вместе с размером сосуда. Конкретные формулы используются в исследовании термоупругости, чтобы описать, как объекты меняются в форме с изменениями температуры.