الإجهاد والانفعال هما المصطلحان المرتبطان بقياس قدرة مادة معينة على قبول الضغط من الخارج. الإجهاد هو مقدار القوة المطبقة على أي من المواد. على الجانب الآخر, عندما تضطر المواد إلى تغيير سلوكها, يسمى سلالة. إن فهم كيفية تصرف هذه القوى يسهل على المهندسين تطوير مواد آمنة وفعالة للهياكل. لذا, سوف تستكشف هذه المقالة أساسيات الإجهاد والتوتر وتعطي القارئ فكرة عامة عن أهمية هذه العوامل في الممارسة العملية.
كيف يمكنك تعريف الإجهاد?
الإجهاد هو القوة المؤثرة على وحدة مساحة أي مادة للحصول على تقدير لحجم القوى الداخلية المؤثرة على جسيمين متجاورين. إذا تحدثنا عن صيغته, الإجهاد هو القوة لكل وحدة المساحة. وعادة ما يتم قياسه بالباسكال (بنسلفانيا) أو نيوتن لكل متر مربع (ن / م²). تعبيرها الرياضي هو:
σ=F/أ
هنا F هي القوة المطبقة و A تمثل مساحة المقطع العرضي للقناة.
أهمية الإجهاد
يشير الإجهاد بشكل أساسي إلى القوة التي نطبقها على مساحة من المادة. تطبيق القوة على مادة ما يخلق قوى داخلية. علاوة على ذلك, تمتد هذه القوى في جميع أنحاء المادة. يتم وصف القوة المؤثرة على المساحة لكل وحدة مساحة فيما نسميه الإجهاد. يعد الوعي بالإجهاد مفيدًا في تحديد الطريقة التي تتصرف بها المادة تحت أحمال مختلفة دون الوصول إلى نقطة الانهيار.
أنواع مختلفة من التوتر
فيما يلي أنواع التوتر الأخرى
- إجهاد الشد: يحدث هذا عادةً عندما تقوم قوة الإجهاد بسحب المادة إلى طول موازٍ جديد, أي. الاستطالة. مثال على ذلك هو عندما ينفصل طرفا الشريط المطاطي.
- الإجهاد الضاغط: ويحدث عندما يتم دفع جزء معين من المادة تجاه بعضها البعض مما يؤدي إلى انخفاض الحجم. على سبيل المثال. القوس والانحناء منخفضًا لأخذ القوس وضغط الزنبرك.
- إجهاد القص: ويحدث عندما تكون القوى موازية لجزء معين من المادة. إلى جانب ذلك, تنزلق طبقات المادة فوق بعضها البعض. ومن الأمثلة على ذلك المقص المستخدم في قطع الأوراق.
- الإجهاد الانحناء: يحدث هذا عادة بسبب التشوه. ويحدث ذلك عندما تبدأ المادة في الانحناء بسبب الحمل مع قوى الشد والضغط. مثال على ذلك هو تبلد الشعاع تحت الحمل المطبق على وسطه.
- الإجهاد الالتوائي: إنه الإجهاد المباشر الناتج عن الحمل الملتوي الذي يؤدي إلى إجهاد القص في المادة. ومن الأمثلة على ذلك قضيب معدني يدور باستخدام عزم الدوران عند كلا الطرفين.
أسباب التوتر
فيما يلي الأسباب الرئيسية للتوتر;
1. القوى الخارجية
الأحمال الخارجية التي تعمل على أي هيكل تطبق قوى مباشرة على المادة وتسبب الإجهاد. هذه القوى يمكن أن تكون التوتر, ضغط, والقص. القوى الناتجة عالية للغاية في منطقة صغيرة. إلى جانب ذلك, الإجهاد الديناميكي هو الضغط المتذبذب المستمر. عادة ما يكون مسؤولاً عن التسبب في إجهاد التعب الذي يؤدي إلى تآكل المادة تدريجيًا.
2. العوامل البيئية
تؤثر الحرارة على أبعاد المواد فتزيد أو تصغر حجمها. إلى جانب ذلك, الهجوم الكيميائي يضعف المادة ويولد ضغوطًا داخلية. تسبب الرطوبة والرطوبة التورم والتدهور خاصة في تلك المسترطبة. تنتج الاهتزازات إجهادًا في المواد عن طريق تشويهها ميكانيكيًا. علاوة على ذلك, الإشعاع مثل الأشعة فوق البنفسجية أو أشعة جاما, يسبب ضررا على المستوى الذري للمادة.
كيفية قياس التوتر?
فيما يلي بعض الطرق الممكنة لقياس التوتر بشكل مناسب;
- خلايا التحميل: أنها تساعد في تحويل القوة الميكانيكية إلى إشارات كهربائية. إلى جانب ذلك, أنها تعطي قياسات دقيقة ومتكررة في سيناريوهات مختلفة.
- مقاييس السلالة: يقومون بقياس التشوه من خلال تحليل التغيرات في المقاومة الكهربائية. إلى جانب ذلك, أنها توفر قياسات ضغط دقيقة لقياس الضغط الداخلي.
- منحنى الإجهاد والانفعال: يساعد هذا المنحنى في تخطيط الإجهاد ضد الإجهاد. ويكشف عن السلوك المرن والبلاستيكي إلى جانب النقاط الرئيسية, أي. نقطة العائد (بداية تشوه البلاستيك), قوة الشد في نهاية المطاف (أقصى قدر من التوتر), ونقطة الكسر (فشل). , علاوة على ذلك, يساعد هذا المنحنى أيضًا في اختيار المواد والتصميم الهيكلي.
- تقنيات أخرى: يمكن أن تكون هذه مرونة ضوئية لأنماط الإجهاد البصري. إلى جانب ذلك, يمكن أن تكون تحليل العناصر المحدودة لمحاكاة الإجهاد الحسابي. علاوة على ذلك, قد تشمل هذه التقنيات حيود الأشعة السينية لقياس الضغط المتبقي والانبعاث الصوتي. لذا, يمكنهم بسهولة اكتشاف موجات التوتر.
كيف يمكنك تحديد سلالة?
الانفعال هو اسم التشوه الذي يمثل الإزاحة بين الجزيئات في الجسم المادي. يمكن أن يكون هذا الإزاحة متعلقًا بطول مرجعي. إلى جانب ذلك, تقدر السلالة مقدار تشوه المادة تحت الضغط. تعبيرها العام هو
الانفعال = التغير في الطول / الطول الأصلي. أو
أَضْنَى (ه) ϵ=ΔL/ لو
أهمية الإجهاد
السلالة لها أهمية كبيرة في مجال البناء. فهو يساعد على التنبؤ بكيفية تصرف المواد في ظل ظروف التحميل المختلفة. إلى جانب ذلك, فهو يتيح للمهندسين التفكير فيما إذا كانت المادة ستعود إلى شكلها الأصلي بعد إزالة الحمولة (السلوك المرن). لذا, سيساعدنا الضغط في المعرفة لضمان السلامة الهيكلية ومنع فشل المواد في التطبيقات الهندسية.
أسباب التوتر
العوامل التالية تسبب الإجهاد في مواد مختلفة:
1. القوى الخارجية
الأحمال ذاتية التطبيق, أي. توتر, ضغط, قوة القص, قوة الانحناء, وعزم الدوران يسبب تشوهًا مباشرًا في المواد. تغير هذه القوى شكل المادة أو حجمها وتؤدي إلى الانفعال.
2. العوامل البيئية
تؤثر الحرارة والبرودة على أحجام المواد ومن هنا ينشأ الإجهاد الحراري. يمكن لبعض المواد الكيميائية أن تسبب تشوهًا وتدهورًا في المادة. إلى جانب ذلك, التغيرات في محتوى الرطوبة لبعض المواد ستجبرها إما على التوسع أو الانكماش. يمكن أن يتسبب الإشعاع في حدوث تغيير في الشبكة داخل المادة على المستوى الذري مما يؤدي إلى الإجهاد.
كيفية قياس الضغط?
دعونا نناقش تقنيات قياس الضغط بالتفصيل;
- مقاييس السلالة: تُعرف المستشعرات المستخدمة لقياس مستوى التشوه في مادة معينة باسم مقاييس الضغط. في هذه العملية, لكن, فهي تشوه المادة وتغير المقاومة الكهربائية.
- مقاييس الامتداد: تقوم هذه الأجهزة بقياس التغير في طول عينة المادة عند تطبيق الحمل عليها. هذه لها تطبيقات واسعة في اختبارات الشد.
- ارتباط الصور الرقمية (مدينة دبي للإنترنت):هذه تقنية سهلة الاستخدام للتحكم في الصعود البصري تستخدم الصور الرقمية لمراقبة تشويه سطح المادة. يمكنه قياس إجهاد المجال الإجمالي. إلى جانب ذلك, فهو فعال في تحليل السلالة التي تتطلب معلومات مفصلة.
- المرونة الضوئية: إنها عملية تصور الإجهاد باستخدام المجهر الاستقطابي. إلى جانب ذلك, ويستخدم مبدأ الضوء المستقطب. أنها تساعد في تحديد مجالات التوتر العالي وفهم أنماط الإجهاد الصعبة.
- تحليل العناصر المحدودة (الهيئة الاتحادية للبيئة):وهي إحدى الطرق العددية للتنبؤ بتشوه المادة عند تأثير أحمال مختلفة عليها. يقوم بمعالجة معلومات سلالة محددة. هذه المعلومات مفيدة في تحديد الإطار المناسب وتصميم المواد والأنظمة.
الاختلافات الرئيسية بين الإجهاد والتوتر
فيما يلي الجدول لإعطاء فهم أفضل للاختلافات الرئيسية بين الإجهاد والإجهاد.
| ضغط | أَضْنَى |
| ويمكن تعريفها بأنها القوة المؤثرة على وحدة المساحة داخل المادة. | إنه تشوه فيما يتعلق بالطول الأصلي |
| يمكن التعبير عن ذلك كـ σ=F/A | ويمكن الإشارة إليها كـ ϵ=ΔL/L0 |
| الوحدات = بسكالس (بنسلفانيا) أو نيوتن لكل متر مربع (ن / م²) | إنه بلا أبعاد لأنه يمثل نسبة نفس المعلمات |
| الإجهاد يحصل على تقدير القوى الداخلية | إنها ببساطة تتغير المقاييس في الشكل أو الحجم |
| ناجمة عن قوى خارجية وعوامل بيئية | ناجمة عن قوى خارجية وعوامل بيئية |
| أنواع: الشد, ضاغطة, قص, الانحناء, الالتوائية | أنواع: الشد, ضاغطة, قص, الانحناء, الالتوائية |
| يشير إلى تحمل قوة المادة | يشير إلى تشوه المادة تحت القوة |
| تقاس بخلايا الحمل, مقاييس الضغط, منحنى الإجهاد والانفعال, الهيئة الاتحادية للبيئة | تقاس بمقاييس الضغط, مقاييس الامتداد, مدينة دبي للإنترنت, الهيئة الاتحادية للبيئة |
| تستخدم في اختيار المواد, التصميم الهيكلي, التنبؤ بالفشل | تستخدم في تحليل الأداء, دراسة التشوه, السلامة الهيكلية |
كيف يرتبط الإجهاد والتوتر ببعضهما البعض?
في الأصل الإجهاد والانفعال هما مفهومان لهما علاقة وثيقة في مجال علم المواد. يتم تعريف الإجهاد على أنه القوة لكل وحدة مساحة تتعرض لها المادة, في حين أن الانفعال هو التغير في أبعاد المادة أثناء تعرضها للإجهاد. عادةً ما يتم تمثيل الارتباط بين الإجهاد والانفعال في مخطط الإجهاد والانفعال الذي يوضح سلوك المادة عند الضغط عليها. في المنطقة المرنة, إن الإجهاد والانفعال يتناسبان طرديا ويخضعان لقانون هوك, أي. σ=Eϵ
كيف يمكنك تحديد الإجهاد مقابل منحنى السلالة?
منحنى الإجهاد مقابل الانفعال – تمثيل رسومي لمقدار الضغط المفروض على المادة وكمية الانفعال التي تظهرها. لذا. فيما يلي مناطقها الرئيسية ونقاطها على المنحنى:
- المنطقة المرنة: المنطقة التي تتناسب فيها علاقات الإجهاد والانفعال بشكل مباشر كما هو منصوص عليه في قانون هوك; أي. σ=Eϵ. هنا, تستعيد المادة شكلها الأصلي بعد إزالة الضغط.
- نقطة العائد: تبدأ المادة في الانحناء إلى ما بعد نقطة الخضوع الخاصة بها وتسبب تشوهًا دائمًا حتى عند تحرير الضغط.
- منطقة البلاستيك: عند هذه النقطة, يتم ضبط المادة بشكل دائم بعد مرحلة الإنتاج.
- قوة الشد القصوى: مقدار الضغط الذي يمكن أن تتحمله المادة على وجه التحديد إلى درجة العنق.
- نقطة الكسر: ويشار إليها أيضًا باسم نقطة الفشل الحقيقية, وهو موضع نقطة الانهيار للمادة.
يعد المنحنى ضروريًا أيضًا في شرح خصائص المادة. إلى جانب ذلك, فهو يساعد في عملية اختيار المادة المناسبة في عملية التصميم الهندسي.
خاتمة
ختاماً, الإجهاد ضد. أَضْنَى, الإجهاد والانفعال هي المفاهيم الأساسية لعلوم وهندسة المواد. وله قيمة كبيرة في التعرف على التفاعلات المادية الناتجة عن القوى المختلفة. على غرار الإجهاد الذي يحدد القوى الداخلية في المادة, السلالة تحدد التشوه الذي يأتي مع القوى. تعتبر منحنيات الإجهاد والانفعال التي تمثل نوع العلاقة بينهما ذات قيمة كبيرة في الحصول على فهم عام لخصائص المواد وسلوكها. هكذا, إن إتقان المهندسين والعلماء لهذه المفاهيم سيؤدي إلى تطوير هياكل ومواد أكثر أمانًا وكفاءة. اتصل بنا للمزيد من المعلومات.
1 فكرت في "الإجهاد مقابل الإجهاد: فهم الاختلافات الرئيسية وآثارها”