Įtampa – tai ploto vienetui tenkanti jėga, dėl kurios kūnas keičia savo formą. Kitaip sakant, įtampa apibūdina kūno vidinių jėgų kiekį, veikiančių tarp jo dalelių, kurios yra reakcija į išorines jėgas ir sukelia deformaciją (atsiskyrimą, suspaudimą arba pasislinkimą) kūne. Įtampa dažnai apibūdinama kaip vidutinė ploto vienetui tenkanti jėga, kuria viena kūno dalelė veikia gretimą dalelę per jas skiriantį imaginarių paviršių.
Matematinė formulė
Vienašio normalinio įtempio formulė yra tokia:
σ = F/A 
čia σ – įtempis (normalinis įtempis), F – jėga, A – paviršiaus plotas per kurį veikia ta jėga. Formulė reiškia ploto vienetui tenkančią jėgą.
Vienetai
Pagal SI sistemą jėga matuojama niutonais, o plotas – kvadratiniais metrais. Todėl įtempimo vienetas yra niutonai kvadratiniame metre (N/m2), kuris sistemingai vadinamas paskaliu (1 Pa = 1 N/m2). Imperijos vienetais įtempimas dažnai matuojamas svarais jėgos kvadratiniam colyje (psi). Įtampos matmuo yra toks pat kaip ir slėgio matmuo.
Įtampa kontinuumo mechanikoje ir pasiskirstymas
Tęstinių procesų mechanikoje apkrautas deformuojamas kūnas traktuojamas kaip kontinuumas, todėl vidinės jėgos laikomos tolygiai pasiskirsčiusios materialiojo kūno tūryje. Įtampos pasiskirstymas kūne paprastai išreiškiamas kaip gabaline tolydžiąja erdvės ir laiko funkcija. Jėgos sukelia kūno formos deformaciją, kuri gali būti laikina arba vedanti prie nuolatinio formos pasikeitimo ir konstrukcijos gedimo, jei medžiaga nėra pakankamai tvirta.
Įtampų tipai ir tensoriai
Įtampą galima skirstyti pagal kryptį ir veikimo pobūdį:
- Normalinis (axialinis) įtempis – veikia statmenai parinktam plokštumai (suspaudimas arba tempimas); skaičiuojamas pagal σ = F/A.
- Šlyties (tangentinė) įtampa – veikimas lygiagrečiai plokštumai, dažnai žymima τ (tau).
Visapusiškam įtempimų aprašymui naudojamas įtampų tensorius – simetrinė 3×3 matricos forma, kuri vietoje pavienio skalarinio dydžio nurodo įtampos komponentes skirtingose kryptyse ir plokštumose. Iš tensoriaus gaunami principaliniai įtempiai (sudarantys kampus, kuriuose šlyties komponentė lygi nuliui) ir įtampos verčių pasiskirstymas.
Įtempis ir deformacija (Hooke'o dėsnis)
Įtampa susijusi su deformacija (straina) ε pagal medžiagos elastingumo dėsnius. Linijinėje elastingoje srityje, kai deformacija yra maža, galioja Hooke'o dėsnis:
- Vienmatinė: σ = E·ε, kur E – medžiagos modulis (Youngo modulis), ε – normalioji deformacija.
- Daugiamatėje srityje santykiai tarp įtampų ir deformacijų aprašomi elastingumo tensoriaus pagalba.
Praktiniai aspektai ir inžineriniai sprendimai
Konstrukcijų projektavime svarbu atsižvelgti į:
- Medžiagos stiprumą – įvertinti ribinius įtempimus (įtampos ribą, tempimo ribą, plastiškumo ribą).
- Įtampų koncentracijas – kampai, skylės, nelygumai sukelia didesnį įtempimų lokalizavimą nei vidutinė įtampa; tai dažna gedimų priežastis.
- Saugos koeficientą – projektuojant pasirenkamas didesnis nei teorinis leistinas įtempis, kad būtų užtikrinta ilgaamžiškumas.
- Temperatūros ir laiko priklausomybė – kai kurios medžiagos keičia savo mechanines savybes esant aukštai temperatūrai arba ilgai veikiant apkrovoms (kreepas).
Vidutinė vs tikroji įtampa
Inžinerinė (vidutinė) įtampa apskaičiuojama kaip F/A, t. y. pradinio skerspjūvio ploto santykis. Tačiau kai skerspjūvis keičiasi (pvz., plastinės deformacijos metu), naudojama tikroji (logarinė) įtampa, kuri atsižvelgia į nuolatinį plotų pokytį ir duoda tiksliau atvaizduojamą medžiagos elgseną esant didelėms deformacijoms.
Santrauka
Įtampa – esminė mechanikos sąvoka, apibūdinanti ploto vienetui tenkančią jėgą ir materijos vidines reakcijas į išorines apkrovas. Teisingas įtempimų supratimas, rūšiavimas (normaliniai, šlyties), jų tensorių panaudojimas ir ryšys su deformacija (per medžiagos elastingumo parametrus) yra būtini mechaninių konstrukcijų analizėje, projektavime ir saugos vertinime.
