Φόρμουλα και Παράδειγμα Modulus του Young

Μέτρο του Young (Ε ) είναι ο συντελεστής ελαστικότητας υπό τάση ή συμπίεση. Με άλλα λόγια, περιγράφει πόσο άκαμπτο είναι ένα υλικό ή πόσο εύκολα κάμπτεται ή τεντώνεται. Το μέτρο του Young συσχετίζει την τάση (δύναμη ανά μονάδα επιφάνειας) με την τάση (αναλογική παραμόρφωση) κατά μήκος ενός άξονα ή γραμμής.

Η βασική αρχή είναι ότι ένα υλικό υφίσταται ελαστική παραμόρφωση όταν συμπιέζεται ή εκτείνεται, επιστρέφοντας στο αρχικό του σχήμα όταν αφαιρεθεί το φορτίο. Υπάρχει μεγαλύτερη παραμόρφωση σε ένα εύκαμπτο υλικό σε σύγκριση με αυτό ενός άκαμπτου υλικού.

Μια χαμηλή τιμή συντελεστή μέτρησης Young σημαίνει ότι ένα στερεό είναι ελαστικό.
Μια υψηλή τιμή συντελεστή Young σημαίνει ότι ένα στερεό είναι ανελαστικό ή άκαμπτο.

Η συμπεριφορά ενός λάστιχου απεικονίζει το μέτρο του Young. Ένα λάστιχο τεντώνεται, αλλά όταν απελευθερώσετε τη δύναμη επιστρέφει στο αρχικό του σχήμα και δεν παραμορφώνεται. Ωστόσο, το πολύ δυνατό τράβηγμα του λάστιχου προκαλεί παραμόρφωση και τελικά το σπάει.

Young's Modulus Formula

Το μέτρο του Young συγκρίνει την εφελκυστική ή θλιπτική τάση με την αξονική καταπόνηση. Ο τύπος για το μέτρο του Young είναι:

E =σ / ε =(F/A) / (ΔL/L₀ ) =FL₀ / AΔL =mgL₀ / π rΔL

Πού:

E είναι ο συντελεστής του Young
σ είναι η μονοαξονική τάση (εφελκυστική ή θλιπτική), η οποία είναι δύναμη ανά περιοχή διατομής
ε είναι το στέλεχος, που είναι η αλλαγή στο μήκος ανά αρχικό μήκος
F είναι η δύναμη συμπίεσης ή επέκτασης
A είναι το εμβαδόν της επιφάνειας της διατομής ή η κάθετη διατομή στην ασκούμενη δύναμη
ΔL είναι η αλλαγή στο μήκος (αρνητική υπό συμπίεση, θετική όταν τεντώνεται)
L₀ είναι το αρχικό μήκος
g είναι η επιτάχυνση λόγω της βαρύτητας
r είναι η ακτίνα ενός κυλινδρικού σύρματος

Μονάδες συντελεστών του Young

Ενώ η μονάδα SI για το μέτρο του Young είναι το pascal (Pa). Ωστόσο, το πασκάλ είναι μια μικρή μονάδα πίεσης, επομένως τα megapascal (MPa) και τα gigapascal (GPa) είναι πιο κοινά. Άλλες μονάδες περιλαμβάνουν newtons ανά τετραγωνικό μέτρο (N/m), newtons ανά τετραγωνικό χιλιοστό (N/mm), kilonewtons ανά τετραγωνικό χιλιοστό (kN/mm), λίβρες ανά τετραγωνική ίντσα (PSI), μέγα λίβρες ανά τετραγωνική ίντσα (Mpsi).

Παράδειγμα προβλήματος

Για παράδειγμα, βρείτε το μέτρο του Young για ένα σύρμα μήκους 2 m και διαμέτρου 2 mm εάν το μήκος του αυξάνεται κατά 0,24 mm όταν τεντώνεται κατά μάζα 8 kg. Ας υποθέσουμε ότι το g είναι 9,8 m/s.

Πρώτα, γράψτε όσα γνωρίζετε:

L =2 m
Δ L =0,24 mm =0,00024 m
r =διάμετρος/2 =2 mm/2 =1 mm =0,001 m
m =8 kg
g =9,8 m/s

Με βάση τις πληροφορίες, γνωρίζετε την καλύτερη φόρμουλα για την επίλυση του προβλήματος.

E =mgL₀ / π rΔL =8 x 9,8 x 2 / 3,142 x (0,001) x 0,00024 =2,08 x 10 N/m

Ιστορικό

Παρά το όνομά του, ο Thomas Young δεν είναι ο πρώτος που περιέγραψε το μέτρο του Young. Ο Ελβετός επιστήμονας και μηχανικός Leonhard Euler περιέγραψε την αρχή του συντελεστή ελαστικότητας το 1727. Το 1782, τα πειράματα του Ιταλού επιστήμονα Giordano Riccati οδήγησαν σε υπολογισμούς συντελεστών ελαστικότητας. Ο Βρετανός επιστήμονας Thomas Young περιέγραψε το μέτρο ελαστικότητας και τον υπολογισμό του στο Μάθημα Διαλέξεων για τη Φυσική Φιλοσοφία και τις Μηχανικές Τέχνες το 1807.

Ισοτροπικά και ανισότροπα υλικά

Το μέτρο του Young εξαρτάται συχνά από τον προσανατολισμό ενός υλικού. Το μέτρο του Young είναι ανεξάρτητο από την κατεύθυνση σε ισότροπα υλικά. Παραδείγματα περιλαμβάνουν καθαρά μέταλλα (υπό ορισμένες συνθήκες) και κεραμικά. Η επεξεργασία ενός υλικού ή η προσθήκη ακαθαρσιών σχηματίζει δομές κόκκων που καθιστούν τις μηχανικές ιδιότητες κατευθυντικές. Αυτά τα ανισότοπα υλικά έχουν διαφορετικές τιμές συντελεστή του Young, ανάλογα με το αν ασκείται δύναμη κατά μήκος του κόκκου ή κάθετα σε αυτόν. Καλά παραδείγματα ανισότροπων υλικών περιλαμβάνουν το ξύλο, το οπλισμένο σκυρόδεμα και τις ίνες άνθρακα.

Πίνακας τιμών συντελεστών του Young

Αυτός ο πίνακας περιέχει αντιπροσωπευτικές τιμές συντελεστή του Young για διάφορα υλικά. Λάβετε υπόψη ότι η τιμή εξαρτάται από τη μέθοδο δοκιμής. Γενικά, οι περισσότερες συνθετικές ίνες έχουν χαμηλές τιμές συντελεστή Young. Οι φυσικές ίνες είναι πιο άκαμπτες από τις συνθετικές ίνες. Τα μέταλλα και τα κράματα έχουν συνήθως υψηλές τιμές συντελεστή Young. Ο υψηλότερος συντελεστής του Young είναι για την καρβίνη, ένα αλλοτρόπο του άνθρακα.

Υλικό	GPa	Mpsi
Καουτσούκ (μικρή καταπόνηση)	0,01–0,1	1,45–14,5×10
Πολυαιθυλένιο χαμηλής πυκνότητας	0,11–0,86	1,6–6,5×10
Φρουστούλες διατόμων (πυριτικό οξύ)	0,35–2,77	0,05–0,4
PTFE (Τεφλόν)	0,5	0,075
HDPE	0,8	0,116
Καψίδια βακτηριοφάγων	1–3	0,15–0,435
Πολυπροπυλένιο	1,5–2	0,22–0,29
Πολυανθρακικό	2–2,4	0,29-0,36
τερεφθαλικό πολυαιθυλένιο (PET)	2–2,7	0,29–0,39
Νάιλον	2–4	0,29–0,58
Στερεό πολυστυρόλιο	3–3,5	0,44–0,51
Πολυστυρόλιο, αφρός	2,5–7×10	3,6–10,2×10
ινοσανίδες μεσαίας πυκνότητας (MDF)	4	0,58
Ξύλο (κατά μήκος των κόκκων)	11	1,60
Ανθρώπινο φλοιώδες οστό	14	2.03
Μήτρα πολυεστέρα ενισχυμένη με γυαλί	17.2	2,49
Αρωματικοί πεπτιδικοί νανοσωλήνες	19–27	2,76–3,92
Σκυρόδεμα υψηλής αντοχής	30	4,35
Μοριακοί κρύσταλλοι αμινοξέων	21–44	3,04–6,38
Πλαστικό ενισχυμένο με ανθρακονήματα	30–50	4,35–7,25
Ίνες κάνναβης	35	5.08
Μαγνήσιο (Mg)	45	6,53
Γυαλί	50–90	7.25–13.1
Ίνες λιναριού	58	8.41
Αλουμίνιο (Al)	69	10
Μαράγιο από μαργαριτάρι (ανθρακικό ασβέστιο)	70	10.2
Αραμίδι	70,5–112,4	10.2–16.3
Σμάλτο δοντιών (φωσφορικό ασβέστιο)	83	12
Ίνα τσουκνίδας	87	12.6
Χάλκινο	96–120	13.9–17.4
Ορείχαλκος	100–125	14,5–18,1
Τιτάνιο (Ti)	110.3	16
Κράματα τιτανίου	105–120	15–17,5
Χαλκός (Cu)	117	17
Πλαστικό ενισχυμένο με ανθρακονήματα	181	26.3
Κρύσταλλο πυριτίου	130–185	18,9–26,8
Σφυρήλατο σίδερο	190–210	27,6–30,5
Χάλυβας (ASTM-A36)	200	29
Γρανάτης σιδήρου υττρίου (YIG)	193-200	28-29
Κοβάλτιο-χρώμιο (CoCr)	220–258	29
Νανοσφαίρες αρωματικών πεπτιδίων	230–275	33,4–40
Βηρύλλιο (Be)	287	41.6
Μολυβδαίνιο (Mo)	329–330	47,7–47,9
Βολφράμιο (W)	400–410	58–59
Καρβίδιο του πυριτίου (SiC)	450	65
Καρβίδιο βολφραμίου (WC)	450–650	65–94
Όσμιο (Os)	525–562	76,1–81,5
Νανοσωλήνα άνθρακα μονού τοιχώματος	1.000+	150+
Γραφένιο (C)	1050	152
Διαμάντι (C)	1050–1210	152–175
Carbyne (C)	32100	4660

Μονάδες ελαστικότητας

Ένα άλλο όνομα για το μέτρο του Young είναι το μέτρο ελαστικότητας , αλλά δεν είναι το μόνο μέτρο ή μέτρο ελαστικότητας:

Το μέτρο του Young περιγράφει την ελαστικότητα εφελκυσμού κατά μήκος μιας γραμμής όταν εφαρμόζονται αντίθετες δυνάμεις. Είναι ο λόγος της εφελκυστικής τάσης προς την εφελκυστική τάση.
Ο συντελεστής όγκου (K) είναι το τρισδιάστατο αντίστοιχο του συντελεστή του Young. Είναι ένα μέτρο της ογκομετρικής ελαστικότητας, που υπολογίζεται ως ογκομετρική τάση διαιρούμενη με την ογκομετρική παραμόρφωση.
Ο συντελεστής διάτμησης ή ο συντελεστής ακαμψίας (G) περιγράφει τη διάτμηση όταν αντίθετες δυνάμεις δρουν σε ένα αντικείμενο. Είναι διατμητική τάση διαιρούμενη με διατμητική τάση.

Ο αξονικός συντελεστής, ο συντελεστής κύματος P και η πρώτη παράμετρος του Lamé είναι άλλοι συντελεστές ελαστικότητας. Η αναλογία Poisson μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη σύγκριση της τάσης εγκάρσιας συστολής με τη διαμήκη παραμόρφωση. Μαζί με το νόμο του Χουκ, αυτές οι τιμές περιγράφουν τις ελαστικές ιδιότητες ενός υλικού.

Αναφορές

ASTM International (2017). «Κανονική μέθοδος δοκιμής για το στοιχείο Young, το Tangent Modulus και το Chord Modulus». ASTM E111-17. Τόμος Book of Standards:03.01.
Jastrzebski, D. (1959). Φύση και ιδιότητες των τεχνικών υλικών (Εκδ. Wiley International). John Wiley &Sons, Inc.
Liu, Mingjie; Artyukhov, Vasilii I.; Lee, Hoonkyung; Xu, Fangbo; Yakobson, Boris I. (2013). «Carbyne From First Principles:Chain of C Atoms, a Nanorod or a Nanorope;». ACS Nano . 7 (11):10075–10082. doi:10.1021/nn404177r
Riccati, G. (1782). “Delle vibrazioni sonore dei cilindri”. Μμ. χαλάκι. fis. soc. Italiana . 1:444-525.
Truesdell, Clifford A. (1960). The Rational Mechanics of Flexible or Elastic Bodies, 1638–1788 :Introduction to Leonhardi Euleri Opera Omnia, τόμ. X και XI, Seriei Secundae. Orell Fussli.