压缩 (物理)

单轴向压缩

在力学中，压缩是指在某物体、材料或结构（英语：Structural system）的不同点上施加内向力（推力），目的是在一个或多个方向上缩小其尺寸^[1]。它与张力恰好相反，后者是向外力（拉力）。在建设工程中，工程师要考虑到材料和结构的抗压强度。

单轴向压缩（uniaxial compression）是指只在一个方向有压缩力，压缩力会使物体在此方向的长度变短^[2]。压缩力也可以从多个方向一起施加，例如从一个板的各边，或是从圆柱体的侧表面，此压缩力会使面积变小（双轴向压缩力），也有可能从一个物体的各个面施加压力，使其体积变小。

以技术观点来看，一物体的某一点受到特定方向的压缩，也就是有应力向量的压力分量 $x$ 在该方向上，且与物体表面的法向量方向恰好相反。若应力向量本身就和物体表面的法向量方向相反，则称该物体在 $x$ 承受纯压应力。固体压缩的量会和 $x$ 的方向有关，也有可能物理在某方向受压缩，而在其他方向受扩张。若应力向量在所有方向都是纯压应力，则称此材料受到各向同性压缩（isotropic compression）、流体静压力压缩（hydrostatic compression）或体积压缩（bulk compression）。这也是液体或气体唯一可以承受的静压缩^[3]。各向同压缩会影响物体的体积，其程度可以用体积模量来说明。

压缩的逆过程是膨胀，物体的体积会因此而变大。在纵波的机械波里，介质移动的方向和波相同，因此会有压缩区域以及稀疏区域。

影响

物体受到压缩应力（或是其他应力）时会出现形变，形变可能小到不容易查觉，不过形变会让原子或分子的平均相对位置有变化。形变可能是永久的，也可能在外力消失后就会复原。若是后者的情形，是因为形变产生了抵抗外在压缩力的力，而且此力最终可能和外力平衡^[4]。

液体和气体无法承受单轴向压缩或是双轴向压缩，上述两种情形下，液体和气体会立刻永久变形，不会有抵抗外在压缩力的力。液体和气体可以承受各向同性的压缩，而且可以暂时的压缩，就像空气传播声波。

一般物体在各向同性压缩下，其体积都会变小，在双轴向压缩下截面积会变小，在单轴向压缩下长度会变短。不过形变不一定均匀，也不一定会延著压缩力的方向。至于没有承受压缩力的哪些方向^[4]大部分物体在会在这些方向膨胀，不过也有些物体不会变化，或者反而收缩的。材料受应力以及对应的形变，是连续介质力学中的重要主题。

用途

固体的压缩在材料科学、物理学及结构工程都有应用，压缩也会产生相当的应力和张力。

透过对物体压缩，可以量测一些材料性质，例如抗压强度或弹性模量 can be measured.^[5]。

为了节省空间，气体会高压压缩成为瓶装气，以此储存或是运送。略为加压的空气或是其他气体也可以用在充填气球、充气船或是其他充气结构（英语：inflatable structure）。压缩液体常用在液压机械及水力压裂。

引擎

内燃机

内燃机里的爆炸混合气体在点火之前会先压缩，以提升引擎的效率。例如奥图循环中活塞的第二段行程就是压缩第一段行程进入气缸的气体^[6]。

蒸汽机

蒸汽机中的“压缩”是在在活塞的冲程完全结束之前关闭蒸汽机的排气阀，让部分气体留在气缸内。在活塞冲程完成时活塞会对空气作功，也形成活塞的缓冲垫，使活塞速度迅速降低，减少往复运动部件的惯性对蒸汽机造成的应力^[7]。此压缩也避免了下一个行程新鲜蒸汽进入气缸的冲击。

参考文献

^ Ferdinand Pierre Beer, Elwood Russell Johnston, John T. DeWolf (1992), "Mechanics of Materials". (Book) McGraw-Hill Professional, ISBN 0-07-112939-1
^ Erkens, Sandra & Poot, M. The uniaxial compression test. Delft University of Technology. (1998). Report number: 7-98-117-4.
^ Ronald L. Huston and Harold Josephs (2009), "Practical Stress Analysis in Engineering Design". 3rd edition, CRC Press, 634 pages. ISBN 9781574447132
^ ^4.0 ^4.1 Fung, Y. C. (1977). A First Course in Continuum Mechanics (2nd ed.). Prentice-Hall, Inc. ISBN 978-0-13-318311-5.
^ Hartsuijker, C.; Welleman, J. W. (2001). Engineering Mechanics. Volume 2. Springer. ISBN 978-1-4020-412
^ Heywood, John. Internal Combustion Engine Fundamentals 2E. McGraw Hill Professional. 2018-05-01. ISBN 978-1-260-11611-3 （英语）.
^ Wiser, Wendell H. Energy resources: occurrence, production, conversion, use. Birkhäuser. 2000: 190. ISBN 978-0-387-98744-6.

[Beer-1] Ferdinand Pierre Beer, Elwood Russell Johnston, John T. DeWolf (1992), "Mechanics of Materials". (Book) McGraw-Hill Professional, ISBN 0-07-112939-1

[2] Erkens, Sandra & Poot, M. The uniaxial compression test. Delft University of Technology. (1998). Report number: 7-98-117-4.

[3] Ronald L. Huston and Harold Josephs (2009), "Practical Stress Analysis in Engineering Design". 3rd edition, CRC Press, 634 pages. ISBN 9781574447132

[ONE-4] 4.0 ^4.1 Fung, Y. C. (1977). A First Course in Continuum Mechanics (2nd ed.). Prentice-Hall, Inc. ISBN 978-0-13-318311-5.

[5] Hartsuijker, C.; Welleman, J. W. (2001). Engineering Mechanics. Volume 2. Springer. ISBN 978-1-4020-412

[6] Heywood, John. Internal Combustion Engine Fundamentals 2E. McGraw Hill Professional. 2018-05-01. ISBN 978-1-260-11611-3 （英语）.

[Wiser-7] Wiser, Wendell H. Energy resources: occurrence, production, conversion, use. Birkhäuser. 2000: 190. ISBN 978-0-387-98744-6.

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影响

用途

引擎

内燃机

蒸汽机

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参考文献