الاستیسیته چیست؟ [خاصیت کشسانی و ارتجاعی]
در علم فیزیک و مواد، خاصیت ارتجاعی توانایی یک جسم برای مقاومت در برابر تأثیر تحریف کننده و بازگشت به اندازه و شکل اولیه خود با حذف آن تأثیر یا نیرو است. اجسام جامد هنگامی که بارهای کافی به آنها اعمال شود تغییر شکل می دهند. اگر ماده الاستیک باشد، جسم پس از برداشتن به شکل و اندازه اولیه خود باز می گردد که این برخلاف پلاستیسیته است، که در آن جسم موفق به انجام این کار نمی شود و در عوض در حالت تغییر شکل خود باقی می ماند. دلایل فیزیکی رفتار الاستیک (الاستیسیته) می تواند برای مواد مختلف کاملاً متفاوت باشد. در فلزات، شبکه اتمی با اعمال نیرو تغییر اندازه و تغییر شکل می دهد (انرژی به سیستم اضافه می شود). هنگامی که نیروها حذف می شوند، شبکه به حالت انرژی پایین تر اولیه باز می گردد. برای لاستیک ها و سایر پلیمرها، کشش به دلیل کشش زنجیره های پلیمری هنگام اعمال نیرو ایجاد می شود.
قانون هوک بیان می کند که نیروی مورد نیاز برای تغییر شکل اجسام الاستیک باید به طور مستقیم با فاصله تغییر شکل ، متناسب باشد، صرف نظر از اینکه این فاصله چقدر بزرگ می شود. این به عنوان یک کشش کامل شناخته می شود، که در آن یک جسم معین بدون توجه به شدت تغییر شکل به شکل اولیه خود باز می گردد.
این فقط یک مفهوم ایده آل است. اکثر موادی که در عمل دارای خاصیت ارتجاعی هستند فقط تا تغییر شکل های بسیار کوچک کاملاً الاستیک باقی می مانند و سپس تغییر شکل پلاستیکی (دائمی) رخ می دهد.
پیشنهاد مکتبی نو: کتاب سالیدورک pdf (رایگان بخوانید)
در مهندسی، الاستیسیته یک ماده با مدول الاستیک مانند مدول یانگ، مدول حجمی یا مدول برشی که میزان تنش لازم برای دستیابی به یک واحد کرنش را اندازهگیری میکند، اندازهگیری میشود. مدول بالاتر نشان می دهد که تغییر شکل ماده سخت تر است.
واحد SI این مدول پاسکال (Pa) است. حد الاستیک یا مقاومت تسلیم ماده حداکثر تنشی است که می تواند قبل از شروع تغییر شکل پلاستیک ایجاد شود. واحد SI آن نیز پاسکال (Pa) است.
مثال: نوارهای لاستیکی و مواد الاستیک و سایر مواد کشسان خاصیت ارتجاعی را نشان می دهند. از طرف دیگر، خاک رس مدل سازی نسبتاً غیر الاستیک است و حتی پس از اعمال نشدن نیرویی که باعث تغییر آن شده است، شکل جدیدی را حفظ می کند. برای مدل سازی این موارد شما میتوانید ابتدا آموزش سالیدورک را مشاهده نمایید.
الاستیسیته (Elasticity) چگونه کار می کند؟
الاستیسیته توانایی جسم مادی تغییر شکل یافته را برای بازگشت به شکل و اندازه اولیه خود با حذف نیروهایی که باعث تغییر شکل می شوند. گفته می شود جسمی با این توانایی رفتار الاستیک دارد (یا پاسخ می دهد).
به میزان بیشتر یا کمتر، بیشتر مواد جامد رفتار ارتجاعی از خود نشان می دهند، اما محدودیتی برای بزرگی نیرو و تغییر شکل همراه وجود دارد که در آن بازیابی الاستیک برای هر ماده ای امکان پذیر است.
این حد که حد الاستیک نامیده می شود، حداکثر تنش یا نیرو در واحد سطح در یک ماده جامد است که می تواند قبل از شروع تغییر شکل دائمی ایجاد شود. تنش های فراتر از حد الاستیک باعث تسلیم یا جاری شدن مواد می شود.
دوره های پیشنهادی:
دوره ی جامع سالیدورک از صفر تا صد | کاملترین دوره سالیدورک
آموزش مهندسی معکوس با Geomagic Design X
آموزش جئومجیک سالیدورک (Geomagic for SolidWorks)
برای چنین موادی، حد الاستیک پایان رفتار الاستیک و آغاز رفتار پلاستیک را نشان می دهد. برای اکثر مواد شکننده، تنشهای فراتر از حد الاستیک منجر به شکستگی بدون تغییر شکل پلاستیکی میشود.
حد الاستیک به طور قابل توجهی به نوع جامد در نظر گرفته بستگی دارد. به عنوان مثال، یک میله یا سیم فولادی را می توان به صورت الاستیک فقط حدود 1 درصد از طول اولیه خود گسترش داد، در حالی که برای نوارهایی از مواد لاستیکی خاص، می توان تا 1000 درصد را به امتداد الاستیکی دست یافت.
با این حال، فولاد بسیار قوی تر از لاستیک است، زیرا نیروی کششی مورد نیاز برای تأثیرگذاری بر حداکثر کشش الاستیک در لاستیک کمتر (با ضریب حدود 0.01) از نیروی مورد نیاز برای فولاد است. خواص کشسانی بسیاری از جامدات در کشش بین این دو حد قرار دارد.
خواص ارتجاعی ماکروسکوپی فولاد و لاستیک ناشی از ساختار میکروسکوپی آن ها بسیار متفاوت است . خاصیت ارتجاعی فولاد و سایر فلزات از نیروهای بین اتمی کوتاه برد تشکیل می شود که وقتی ماده بدون تنش است، اتم ها را در الگوهای منظم نگه می دارد.
تحت تنش، پیوند اتمی می تواند در تغییر شکل های بسیار کوچک شکسته شود. در مقابل، در سطح میکروسکوپی، مواد لاستیک مانند و سایر پلیمرها از مولکولهای زنجیره بلند تشکیل شدهاند که با گسترش مواد باز میشوند و در بازیابی الاستیک پس میزنند.
تئوری ریاضی الاستیسیته و کاربرد آن در مهندسی مکانیک به پاسخ ماکروسکوپی ماده مربوط می شود و نه با مکانیسم زمینه ای که باعث آن می شود.
در یک تست کشش ساده، پاسخ الاستیک موادی مانند فولاد و استخوان با یک رابطه خطی بین تنش کششی (کشش یا نیروی کششی در واحد سطح مقطع از ماده)، σ و نسبت بزرگی (تفاوت بین طول های توسعه یافته و اولیه تقسیم بر طول اولیه)، e.
به عبارت دیگر، σ با e متناسب است. این σ = Ee بیان می شود، جایی که E، ثابت تناسب
( عامل تناسب )، مدول یانگ نامیده می شود. مقدار E به مواد بستگی دارد. نسبت مقادیر آن برای فولاد و لاستیک حدود 100000 است. معادله σ = Ee به قانون هوک معروف است و نمونه ای از قانون تشکیل دهنده است.
چه کسی خاصیت ارتجاعی یا همان الاستیسیته را کشف کرد؟
خوب، ما همیشه میدانستیم که برخی از مواد نسبت به سایرین انعطافپذیرتر هستند و وقتی در معرض انواع مختلف نیرو قرار میگیرند، به روشهای متفاوتی رفتار میکنند، اما نکته کلیدی که باید در مورد الاستیک (کشسانی) به خاطر بسپاریم، رابرت هوک است. هوک هم دوره اسحاق نیوتن بود، و او اولین کسی بود که به درستی نحوه عملکرد کشسانی را به صورت کمیت تجزیه و تحلیل کرد.
در سال 1660، هوک قانون الاستیسیته، معروف به قانون هوک را از طریق آزمایش های طولانی با فنرها کشف کرد. فرض اصلی قانون این است که برای تغییر شکل های نسبتاً کوچک یک جسم (مثلاً با کشش یا خم کردن آنها)، جابجایی یا اندازه تغییر شکل مستقیماً با نیروی تغییر شکل یا بار متناسب است. تحت این شرایط، جسم با برداشتن بار به شکل و اندازه اصلی خود باز می گردد.
رفتار الاستیک جامدات طبق قانون هوک را می توان با رفتاری که قبلاً ذکر کردیم توضیح داد. مواد در صورتی که ذرات تشکیل دهنده آنها قادر به حرکت در درون ماده باشند، زمانی که تحت یک نیروی خارجی قرار می گیرند، خاصیت ارتجاعی دارند و قانون هوک بیان می کند که این حرکت با نیروی اعمال شده نسبت مستقیم دارد.
این یک قانون کامل نیست – برای مقادیر بیشتر نیرو، از حد الاستیک اغلب فراتر می رود، به این معنی که نیرو تغییر شکل بیشتری نسبت به تناسب ایجاد می کند، اما زمانی که شروع به بررسی موضوع می کنید، می دانیم که قانون هوک مهم ترین است!
آموزش ال اس داینا LS-DYNA (شبیه سازی ضربه و تصادف)
چرا خاصیت الاستیک مفید است؟
خاصیت ارتجاعی (الاستیسیته) یک ویژگی کلیدی برای درک هر زمان که نیاز به ساختن چیزی دارید است – در نهایت، ساختن ساختمانی آنقدر سفت و سخت که در طوفان شکسته شود، یا ساختن خط کشی که آنقدر خمیده است که نتوانید از آن استفاده کنید، فایده ای ندارد. هر چیزی را اندازه گیری کنید !!
به همین دلیل، آشنایی با حد ارتجاعی (الاستیک) یک ماده، تقریباً برای هر کاری که نیاز به کار برای ساختن یا تعمیر یک جسم دارد، بسیار مفید است، گاهی اوقات به کوچکی یک قاشق یا به بزرگی یک آسمان خراش – و به ویژه برای چیزها مهم است. مانند اشکال حمل و نقل و ساختمان ها. ما باید بتوانیم به این چیزها تکیه کنیم تا قوی بمانیم و حتی زمانی که تحت فشار زیادی قرار می گیرند، که می تواند از طیف گسترده ای از منابع مختلف باشد، نشکند. خاصیت ارتجاعی میتواند نقش مهمی در ایجاد این موارد در برابر آسیبهای آب و هوایی داشته باشد، بنابراین این یک زمینه مطالعه حیاتی به ویژه برای مهندسان است!
سوالات متداول
خاصیت الاستیک ماده خاصیتی است که بعد از برداشتن نیرو، ماده به حالت اولیه خود برمیگردد.
مدول الاستیک یا مدول یانگ به نسبت تنش به کرنش ماده در محدوده الاستیسیته گفته میشود و آن را با نماد E نمایش میدهند.
معادله الاستیسیته بر اساس قانون هوک طبق رابطه (تنش=مدول الاستیک*کرنش) میباشد.
مطالب زیر را حتما مطالعه کنید
دینامیک سیالات محاسباتی (CFD) چیست؟
کاربرد هوش مصنوعی در مهندسی مکانیک
هیدرولیک چیست؟ | اجزا و انواع سیستم هیدرولیک
دیدگاهتان را بنویسید