Θερμική καταπόνηση

Άγχος

Το στρες είναι ένα φυσικό μέγεθος που περιγράφεται στη φυσική και τη μηχανική ως η δύναμη ανά μονάδα επιφάνειας που υφίσταται ένα υλικό εσωτερικά καθώς προσπαθεί να ανακτήσει το σχήμα του όταν εφαρμόζεται εξωτερική δύναμη. Αν και οι άνθρωποι γνώριζαν το άγχος στα υλικά, η έννοια του στρες και η μέτρησή του ήταν ως επί το πλείστον εμπειρική μέχρι τον 17ο αιώνα. Ακόμη και πριν από τότε, χρησιμοποιήθηκε για την κατασκευή σύνθετων τόξων, γυάλινων τόξων και άλλων αντικειμένων. Χρησιμοποιώντας κιονόκρανα, καμάρες, θόλους και ζευκτά, οι άνθρωποι κατασκεύασαν και χρησιμοποίησαν ξύλινα δοκάρια και λιθόλιθους για να αντέχουν και να κατανέμουν την πίεση για να αποτρέψουν την κατάρρευση της κατασκευής με την πάροδο του χρόνου.

Χάρη στο έργο επιστημόνων όπως ο Galileo Galilei και ο Isaac Newton, ο Augustin-Louis Cauchy, Γάλλος φυσικός και μαθηματικός, ανέπτυξε το πρώτο μαθηματικό μοντέλο για το στρες σε ένα ομοιογενές μέσο. Ο Newton χρησιμοποίησε έναν διαφορικό τύπο για να υπολογίσει την τάση που εμπλέκεται στα υγρά. Το στρες είναι ένα θεμελιώδες μέγεθος αφού παράγεται από μια θεμελιώδη ποσότητα όπως η δύναμη και μια γεωμετρική ποσότητα όπως η περιοχή. Η πίεση θα ενεργεί πάντα προς την αντίθετη κατεύθυνση καθώς εφαρμόζεται η δύναμη παραμόρφωσης.

Η μονάδα πίεσης στο SI είναι το pascal (Pa). Η τάση που προκύπτει είναι ένα pascal όταν εφαρμόζεται ένα Newton δύναμης σε μια μονάδα επιφάνειας ενός μέτρου στο τετράγωνο.

Τύποι άγχους

1. Κανονική τάση:Αν η κατεύθυνση στην οποία δρα η τάση είναι κάθετη στην περιοχή της διατομής του υλικού, θεωρείται κανονική τάση. Η διαμήκης καταπόνηση και η μαζική καταπόνηση, συχνά γνωστές ως ογκομετρική καταπόνηση, είναι δύο τύποι κανονικής καταπόνησης.

2. Διαμήκης τάση:Όταν εφαρμόζονται ίσες και αντίθετες δυνάμεις στις δύο ξεχωριστές περιοχές διατομής ενός κυλίνδρου, η τάση που υφίσταται ο κύλινδρος είναι γνωστή ως διαμήκης τάση. Η δύναμη παραμόρφωσης δρα κατά μήκος του σώματος, με αποτέλεσμα το μήκος και η διάμετρος του σώματος να ποικίλουν ελαφρώς. Η εφελκυστική τάση και η θλιπτική τάση είναι δύο τύποι διαμήκους τάσεων.

3. Τάσεις εφελκυσμού:Η τάση εφελκυσμού εμφανίζεται όταν η ενεργούσα δύναμη παραμόρφωσης αυξάνει το μήκος του σώματος στο οποίο ασκείται.

4. Θλιπτική τάση:Η συμπιεστική τάση εμφανίζεται όταν εφαρμόζεται μια δύναμη παραμόρφωσης που μειώνει το μήκος του σώματος πάνω στο οποίο δρα.

5. Μαζική πίεση:Η μαζική καταπόνηση, γνωστή και ως ογκομετρική πίεση, είναι ένας τύπος τάσης που δρα στις διαστάσεις του αντικειμένου και αλλάζει τον όγκο του.

6. Τάσεις διάτμησης:Όταν η κατεύθυνση της ασκούμενης παραμορφωτικής δύναμης είναι παράλληλη με το εμβαδόν της διατομής και τροποποιεί το σχήμα του στοιχείου στο οποίο δρα, είναι γνωστό ως εφαπτομενική τάση.

Θερμική καταπόνηση

Η θερμική καταπόνηση ορίζεται ως η τάση που δημιουργείται από μια αλλαγή στη θερμοκρασία ενός αντικειμένου, η οποία προκαλεί διαστολή ή συστολή του.

Η εφαρμογή της θερμικής καταπόνησης στη μηχανική και τη θερμοδυναμική είναι εκτεταμένη.

Αυτές οι τάσεις μπορεί να προκαλέσουν θραύση ή σπάσιμο του αντικειμένου. Καθώς η θερμοκρασία αλλάζει, το επίπεδο πίεσης αυξάνεται.

Ας δούμε μια θερμική αγώγιμη ράβδο ως παράδειγμα. Θα επεκταθεί όσο αυξάνεται η θερμοκρασία. Η δύναμη επαναφοράς θα δράσει στη ράβδο εάν διατηρηθεί σε θερμοκρασία δωματίου πριν την επαναφέρει στην αρχική της θέση. Επιπλέον, εάν αποθηκευτεί σε χαμηλή θερμοκρασία, θα αρχίσει να συστέλλεται.

Η θερμική καταπόνηση χρησιμοποιείται συχνά στην κατασκευή σιδηροδρομικών γραμμών. Το τρένο μπορεί να κινηθεί λόγω του χώρου ανάμεσα σε δύο σιδηροδρομικές γραμμές. Αναπτύσσονται το καλοκαίρι καθώς ανεβαίνει η θερμοκρασία, ενώ συσπώνται το χειμώνα όταν πέφτει η θερμοκρασία. Η θερμική καταπόνηση διατηρεί υπό έλεγχο αυτές τις συνθήκες, επιτρέποντας στο τρένο να παραμείνει σε τροχιά.

Τύπος θερμικής καταπόνησης

Ας υποθέσουμε ότι μια θερμική ράβδος υπόκειται σε θερμική καταπόνηση.

Ας είναι η ράβδος Α. 

Αρχικό μήκος της ράβδου =L₀

Η αύξηση της θερμοκρασίας της ράβδου =ΔT

Νέο μήκος της ράβδου =L

Επομένως, 

L – L₀ =L₀ ∝ΔT 

Εδώ,

∝=συντελεστής γραμμικής διαστολής του υλικού της ράβδου.

L =L₀ (1+∝ΔT) 

F/A=Y(L – L₀ ) /L₀

Εδώ,

Το Y είναι ο συντελεστής νεαρής ηλικίας μιας δεδομένης ράβδου

F/A=Y ∝ΔT  

Αιτίες θερμικής καταπόνησης

Η θερμική καταπόνηση είναι μια μηχανική διαδικασία που προκαλείται από μια αλλαγή στην εσωτερική θερμοκρασία ενός αντικειμένου, σύμφωνα με τους κανόνες της θερμοδυναμικής. Οποιαδήποτε αύξηση της θερμοκρασίας παράγει περισσότερο άγχος σε κανονικές συνθήκες. Ωστόσο, εκτός από την τάση, μπορεί να προκληθεί θερμικό σοκ, με αποτέλεσμα το γρήγορο κάταγμα ή το σπάσιμο ενός αντικειμένου.

Επιδράσεις της θερμικής καταπόνησης

Εάν οι θερμικές τάσεις δεν ληφθούν σωστά υπόψη, μπορεί να έχουν σημαντικό αντίκτυπο στη δομική αντοχή και σταθερότητα. Λόγω της έλλειψης επίγνωσης του θερμικού στρες, υπάρχει κίνδυνος καταγμάτων και σπασίματος σε πολλές περιοχές με σοβαρή αδυναμία.

Η θραύση του γυαλιού που συμβαίνει όταν θερμαίνεται σε υψηλή θερμοκρασία και στη συνέχεια βυθίζεται σε κρύο νερό είναι ένα από τα πιο κοινά παραδείγματα θερμικής καταπόνησης. Η ρωγμή και το σπάσιμο του γυαλιού που προκύπτει ως συνέπεια της πρόσκρουσης δεν είναι ίδια με εκείνα που συμβαίνουν ως αποτέλεσμα της κρούσης.

Συμπέρασμα

Το στρες είναι η εσωτερική δύναμη αποκατάστασης που δρα ανά μονάδα επιφάνειας ενός παραμορφωμένου σώματος. Αυτές οι εσωτερικές δυνάμεις ενός παραμορφωμένου σώματος είναι πάντα ίσες και αντίθετες με τις δυνάμεις παραμόρφωσης σε κατάσταση ισορροπίας. Εάν αφαιρεθεί η δύναμη παραμόρφωσης, η εσωτερική δύναμη επαναφοράς αποκαθιστά το φυσικό σχήμα του σώματος.

Το στρες είναι η εσωτερική δύναμη αποκατάστασης που δρα ανά μονάδα επιφάνειας ενός παραμορφωμένου σώματος. Αυτές οι εσωτερικές δυνάμεις ενός παραμορφωμένου σώματος είναι πάντα ίσες και αντίθετες με τις δυνάμεις παραμόρφωσης σε κατάσταση ισορροπίας. Εάν αφαιρεθεί η δύναμη παραμόρφωσης, η εσωτερική δύναμη επαναφοράς αποκαθιστά το φυσικό σχήμα του σώματος.

Η θερμική καταπόνηση ορίζεται ως η τάση που δημιουργείται από μια αλλαγή στη θερμοκρασία ενός αντικειμένου, η οποία προκαλεί διαστολή ή συστολή του.