Spriedze ir iekšējo spēku lielums uz laukuma vienību, kas iedarbojas uz ķermeņa daļiņām un izraisa tā formas maiņu. To var saprast arī kā spēku, ko viena ķermeņa daļiņa pielieto blakus esošajai daļiņai pāri iedomātai virsmai, kas tās atdala — tātad tas ir ķermeņa iekšējo spēku blīvums materiāla tilpumā. Šie iekšējie spēki parasti rodas kā reakcija uz ārējiem spēkiem (piem., nepārtrauktībā piemērojamiem virsmas vai ķermeņa spēkiem) un var izpausties kā saspiešana, izstiepšana vai slīdēšana materiālā.

Formula

Vienkāršākajā gadījumā, kad spēks ir vienmērīgi izkliedēts uz plaknes laukuma, normālsprieguma formula ir:

σ = F A {\displaystyle {\sigma }={\frac {F}{A}}}} {\displaystyle {\sigma }={\frac {F}{A}}}

kur σ ir spriegums, F ir spēks un A ir virsmas laukums. Pozitīva σ nozīmē stiepšanās (tension), negatīva — saspiešana (compression), ja lieto ierasto zīmju konvenciju.

Vienības

Starptautiskajā SI sistēmā spēku mēra ņūtonos, bet laukumu — kvadrātmetros. Tādējādi spriedze ir N/m2. Tomēr parastā SI mērvienība spriedzei ir paskāls (Pa):

  • 1 Pa = 1 N/m2.

Ķīmijā un inženierzinātnēs bieži lieto arī lielākas vienības, piemēram, kilopaskālu (kPa), megapaskālu (MPa) vai gigapaskālu (GPa). Imperiālajās vienībās spriegumu mēra mārciņspēkā uz kvadrātcollu (psi). Spriedzes mērvienība ir tāda pati kā spiediena mērvienība.

Spriedzes veidi

  • Normālspriegums (σ) — darbojas perpendikulāri šķērsgriezes plaknei; izstiepjošs vai saspiedošs.
  • Šķērspriegums (τ) — darbojas paralēli šķērsgriezes plaknei un mēģina izraisīt slīdēšanu starp slāņiem.

Sprieguma apraksts nepārtrauktības mehānikā

Nepārtrauktības mehānikā deformējams ķermenis tiek modelēts kā nepārtrauktība, tāpēc iekšējie spēki sadalās materiāla tilpumā nepārtraukti. Tas nozīmē, ka sprieguma lauks ķermenī ir laika un telpas funkcija, ko var izteikt kā lauka vektoru vai tenzoru. Spēku iedarbība izraisa ķermeņa deformāciju; ja materiāls nav pietiekami izturīgs, deformācija var pāraugt pastāvīgā bojājumā vai plaisā.

Sprieguma tensori un galvenie spriegumi

Vispārīgākai sprieguma aprakstīšanai nepieciešams sprieguma tensora jēdziens — 3×3 matrica, kas satur gan normālos, gan šķērspriegumus kopā. No šī tensora var iegūt galvenos spriegumus (principal stresses), kas ir normālie spriegumi koordinātu sistēmā, kur šķērspriegumi izzūd. Galvenie spriegumi un to attiecības palīdz novērtēt materiāla lūzuma risku un piemērot attiecīgus izturības kritērijus (piem., von Mises, Tresca).

Praktiskais pielietojums un piemērs

Inženierijā sprieguma aprēķini nepieciešami, lai izvēlētos pareizu materiālu un šķērsgriezumu konstrukcijām (sijas, kolonnas, skrūves utt.), novērtētu drošības koeficientu un paredzētu deformācijas. Piemērs:

  • Ja uz plakanu virsmu ar laukumu A = 0.02 m2 iedarbojas spēks F = 1000 N, tad σ = F/A = 1000 / 0.02 = 50 000 N/m2 = 50 kPa.

Modelēšana un ierobežojumi

Dažādi nepārtrauktības mehānikas modeļi pieņem atšķirīgas aproksimācijas par to, kā spēki un spriegumi sadalās materiālā. Klasiskajos modeļos lieto vidējo spēku pieņēmumu, bet sarežģītākos modeļos — jāņem vērā ģeometrijas ietekme, materiāla nelinearitāte un trīsdimensiju efekti. Ķermeņa ģeometrija var būt būtiska sprieguma koncentrāciju, plaisu attīstības un enerģijas uzkrāšanās ziņā, tāpēc praktiskos aprēķinos bieži izmanto galīgo elementu metodi (FEM).

Kopsavilkums

  • Spriedze = spēks uz laukuma vienību; vienkāršā gadījumā σ = F/A.
  • Vienība SI: paskāls (Pa) = N/m2.
  • Spriedze var būt normāla vai šķērsgriezuma; reālām problēmām jāizmanto sprieguma tensora analīze un atbilstoši materiāla izturības kritēriji.