位移場

力學中的位移場是指物體當中的所有點，其位移向量所組成的向量場^[1]^[2]。位移向量以一個點或是粒子原來的位置為準，標明其新的位置。例如，固體形變的效果就可以用位置場來表示。

公式

在考慮位移之前，需要定義形變之前的狀態。此狀態下，所有點的座標都知道，而且可以用以下函數描述： ${\vec {R}}_{0}:\Omega \to P$ 其中

${\vec {R}}_{0}$ 是位移向量
$\Omega$ 是物體的所有點
$P$ 是物體的所有點在空間中的位置。

此一狀態也常常是沒有外力的狀態。

給定物體的其他狀態，其中所有點的座標可以用 ${\vec {R}}_{1}$ 來描述，則二個物體狀態之間的位移場為： ${\vec {u}}={\vec {R}}_{1}-{\vec {R}}_{0}$ 其中 ${\vec {u}}$ 是位移場，物體的每一個點都有一個對應的位移向量。

位移分量

連續體的運動

物體的位移可以分為二個分量：剛體位移以及形變。

剛體位移包括物體的平移或旋轉，物體的形狀、大小都維持不變。
形變表示物體形狀或大小的變化，從未形變的組態 $\kappa _{0}({\mathcal {B}})$ 變成形變後的組態 $\kappa _{t}({\mathcal {B}})$ 。

連續體組態的變化可以用位移場來描述。位移場是物體中所有點的位移向量組合成的場，可以找到形變後組態和形變前組態之間的關係。物體中二點之間的距離改變，若且唯若物體出現形變。若物體有位移，但沒有形變，即為剛體運動。

位移梯度張量

依照Lagrange描述法及Eulerian描述法，可以定義兩種位移梯度張量。

粒子 $i$ 的位移可以表示為下式。未變形組態 $P_{i}$ 的粒子，在變形組態 $p_{i}$ ，其位移向量為 $p_{i}-P_{i}$ ，以下表示為 $u_{i}$ 或 $U_{i}$ 。

物質坐標（Lagrangian描述法）

用 $\mathbf {X}$ 代替 $P_{i}$ ，用 $\mathbf {x}$ 代替 $p_{i}\,\!$ ，這二個都是從坐標系統原點到對應點的向量，可得位移向量的Lagrangian描述法： $\mathbf {u} (\mathbf {X} ,t)=u_{i}\mathbf {e} _{i}$ 其中 $\mathbf {e} _{i}$ 是定義空間（局部參考框架（英語：lab frame））坐標系統基的正交單位向量。

若用物質坐標表示位移場， $\mathbf {u}$ 會是 $\mathbf {X}$ 的函數，位移場是： $\mathbf {u} (\mathbf {X} ,t)=\mathbf {b} (t)+\mathbf {x} (\mathbf {X} ,t)-\mathbf {X} \qquad {\text{or}}\qquad u_{i}=\alpha _{iJ}b_{J}+x_{i}-\alpha _{iJ}X_{J}$ 其中 $\mathbf {b} (t)$ 是表示剛體移動的位移向量。

位移向量相對物質坐標的偏導數可得物質位移梯度張量 $\nabla _{\mathbf {X} }\mathbf {u} \,\!$ 。可得 $\nabla _{\mathbf {X} }\mathbf {u} =\nabla _{\mathbf {X} }\mathbf {x} -\mathbf {R} =\mathbf {F} -\mathbf {R} \qquad {\text{or}}\qquad {\frac {\partial u_{i}}{\partial X_{K}}}={\frac {\partial x_{i}}{\partial X_{K}}}-\alpha _{iK}=F_{iK}-\alpha _{iK}$ 其中 $\mathbf {F}$ 是物質位移梯度張量，而 $\mathbf {R}$ 為旋轉。

空間坐標（Eulerian描述法）

在Eulerian描述法下，未變形組態的粒子 $P$ ，延伸到其變形組態的向量為位移向量： $\mathbf {U} (\mathbf {x} ,t)=U_{J}\mathbf {E} _{J}$ 其中 $\mathbf {E} _{i}$ 是定義物質坐標系統的基的正交單位向量。

若用空間坐標表示位移場， $\mathbf {U}$ 會是 $\mathbf {x}$ 的函數，位移場是： $\mathbf {U} (\mathbf {x} ,t)=\mathbf {b} (t)+\mathbf {x} -\mathbf {X} (\mathbf {x} ,t)\qquad {\text{or}}\qquad U_{J}=b_{J}+\alpha _{Ji}x_{i}-X_{J}$

空間導數，也就是位移向量相對空間坐標的偏導數，即為空間位移梯度張量 $\nabla _{\mathbf {x} }\mathbf {U} \,\!$ ，可得 $\nabla _{\mathbf {x} }\mathbf {U} =\mathbf {R} ^{T}-\nabla _{\mathbf {x} }\mathbf {X} =\mathbf {R} ^{T}-\mathbf {F} ^{-1}\qquad {\text{or}}\qquad {\frac {\partial U_{J}}{\partial x_{k}}}=\alpha _{Jk}-{\frac {\partial X_{J}}{\partial x_{k}}}=\alpha _{Jk}-F_{Jk}^{-1}\,,$ 其中 $\mathbf {F} ^{-1}=\mathbf {H}$ 空間位移梯度張量。

物質坐標和空間坐標的關係

$\alpha _{Ji}$ 是物質坐標和空間坐標的單位向量 $\mathbf {E} _{J}$ 及 $\mathbf {e} _{i}\,\!$ 的方向餘弦，因此 $\mathbf {E} _{J}\cdot \mathbf {e} _{i}=\alpha _{Ji}=\alpha _{iJ}$

$u_{i}$ 和 $U_{J}$ 的關係為 $u_{i}=\alpha _{iJ}U_{J}\qquad {\text{or}}\qquad U_{J}=\alpha _{Ji}u_{i}$

已知 $\mathbf {e} _{i}=\alpha _{iJ}\mathbf {E} _{J}$ 因此 $\mathbf {u} (\mathbf {X} ,t)=u_{i}\mathbf {e} _{i}=u_{i}(\alpha _{iJ}\mathbf {E} _{J})=U_{J}\mathbf {E} _{J}=\mathbf {U} (\mathbf {x} ,t)$