Μια επισκόπηση για το στρες και την καταπόνηση

Το άγχος και η καταπόνηση είναι δύο σημαντικές έννοιες της φυσικής. Αυτό το άρθρο στοχεύει να εξηγήσει γιατί ορισμένα αντικείμενα είναι πιο μεταβλητά από άλλα. Η παραμόρφωση ορίζεται ως η αλλαγή του σχήματος ενός αντικειμένου που προκαλείται από την εφαρμογή δύναμης. Οι εξωτερικές δυνάμεις μπορεί να προκαλέσουν την εμπειρία του πράγματος, όπως συμπίεση, σύνθλιψη, συστροφή, διάτμηση, σκίσιμο και σύρσιμο των αντικειμένων.

Το ελατήριο συμπιέζεται κάπως και ρυθμίζει τις διαμοριακές δυνάμεις. Αυτά τα μετατοπισμένα μόρια επαναφέρονται στα αντίστοιχα φίλτρα ισορροπίας τους από τις δυνάμεις αποκατάστασης που δημιουργούνται την άνοιξη.

Τι είναι η ελαστικότητα;

Οι διαμοριακές δυνάμεις εμφανίζονται όταν τα άτομα και τα μόρια ενός στερεού είναι οργανωμένα, έτσι ώστε τα γειτονικά μόρια να ασκούν δύναμη το ένα στο άλλο. Μετά την αφαίρεση των παραμορφωτικών πιέσεων (μήκος, σχήμα ή όγκο), το σώμα επιστρέφει στην αρχική του δομή. Έτσι το σώμα δείχνει ελαστικότητα.

Η ελαστικότητα είναι η ιδιότητα ενός συμπαγούς σώματος που του επιτρέπει να επανέρχεται στην αρχική του διαμόρφωση (σχήμα και μέγεθος) κάθε φορά που έχει εξαλειφθεί μια εξωτερική δύναμη παραμόρφωσης.

Άγχος 

Η καταπόνηση είναι μια δύναμη ανά μονάδα επιφάνειας που παράγεται σε υλικά λόγω εξωτερικών εφαρμοζόμενων δυνάμεων, άνισης θέρμανσης και επίμονης παραμόρφωσης, που επιτρέπει την ακριβή περιγραφή και πρόβλεψη της συμπεριφοράς ελαστικών, πλαστικών ή ρευστών.

Ο ακόλουθος τύπος υπολογίζει το στρες:

σ =F/A

Όπου σ είναι η εφαρμοζόμενη τάση, F είναι η ασκούμενη δύναμη και A είναι η περιοχή εφαρμογής δύναμης.

Η μονάδα τάσης είναι N/m2.

Τύποι άγχους

Υπάρχουν δύο μορφές άγχους που μπορούν να εφαρμοστούν σε θέματα.

Τάσεις εφελκυσμού

Ο τύπος τάσης που επιμηκύνει μια ουσία κατά μήκος του άξονα της ασκούμενης δύναμης ονομάζεται τάση εφελκυσμού. Το μέγεθος της πίεσης που εφαρμόζεται κατά μήκος μιας ελαστικής ράβδου διαιρείται από την περιοχή διατομής της ράβδου σε κατεύθυνση κάθετη προς την ασκούμενη δύναμη για τον υπολογισμό της τάσης εφελκυσμού. Το εφελκυσμό υποδηλώνει ότι το υλικό στο οποίο έχει ασκηθεί δύναμη είναι υπό τάση και ότι οι δυνάμεις ενεργούσαν πάνω του για να το επεκτείνουν.

Θλιπτική τάση

Μια δύναμη που επιτρέπει σε μια ουσία να παραμορφώνεται και να καταλαμβάνει μικρότερο όγκο είναι γνωστή ως θλιπτική τάση. Μια ουσία λέγεται ότι ήταν υπό συμπίεση κάθε φορά που υπόκειται σε θλιπτική τάση.

Στρέλεχος

Η ποσότητα των παραμορφώσεων που δημιουργείται από ένα σώμα προς την κατεύθυνση των εφαρμοζόμενων δυνάμεων που ασκούνται από τις αρχικές διαστάσεις του σώματος είναι γνωστή ως καταπόνηση.

Ο ακόλουθος τύπος εκφράζει την παραμόρφωση ενός στερεού σε αναλογία προς το μήκος του:

ε =δl/ L

Όπου l είναι η αλλαγή στο μήκος της ύλης λόγω της καταπόνησης που προκαλείται από μια εφαρμοζόμενη τάση, και L είναι το αρχικό της μήκος.

Όπως περιγράφει τη σχετική αλλαγή στο σχήμα ενός σώματος, η παραμόρφωση είναι μια αδιάστατη ποσότητα.

Τύποι στελέχους

Εελκυστική παραμόρφωση

Όταν η τάση εφελκυσμού προκαλεί αλλαγή στο μήκος (ή στην περιοχή του σώματος), τότε είναι γνωστή ως εφελκυστική τάση.

Συμπιεστική παραμόρφωση

Όταν υπάρχει μια αλλαγή στο μήκος (ή στην περιοχή) ενός σώματος που προκαλείται λόγω συμπίεσης, ονομάζεται θλιπτική καταπόνηση.

Νόμος του Χουκ

Ενώ ο Άγγλος επιστήμονας Robert Hooke ερεύνησε τα ελατήρια και την ελαστικότητα τον 19ο αιώνα, παρατήρησε ότι πολλά υλικά παρουσίαζαν παρόμοιο χαρακτηριστικό όταν εξετάστηκε η σχέση τάσης-παραμόρφωσης. Ο νόμος του Χουκ καθιέρωσε μια γραμμική ζώνη στην οποία η δύναμη που απαιτείται για να τεντωθεί μια ύλη ήταν ανάλογη με το μήκος της.

Ο νόμος του Hooke δηλώνει ότι ακόμη και η καταπόνηση ενός υλικού είναι ίση με την εφαρμοζόμενη τάση εντός του ορίου ελαστικότητας του.

Ο νόμος του Χουκ αναπαρίσταται συχνά μαθηματικά ως:

F =–k.x

Εδώ F είναι η δύναμη, x το μήκος της προέκτασης, ενώ k είναι η σταθερά αναλογικότητας, που αναφέρεται και ως σταθερά ελατηρίου σε N/m.

Συμπέρασμα

Το άγχος και η καταπόνηση είναι σημαντικά μέρη της φυσικής. Στη μηχανική και την επιστήμη, η σημασία της τάσης και της καταπόνησης για τα υλικά έχει χρησιμοποιηθεί για να απεικονίσει τη σχέση τάσης-παραμόρφωσης. Αυτή η σχέση τάσης και παραμόρφωσης καθορίζεται αυξάνοντας σταδιακά το φορτίο σε ένα αντικείμενο δοκιμής ενώ παρακολουθείται η παραμόρφωση και στη συνέχεια υπολογίζεται η τάση και η καταπόνηση από τα αποτελέσματα. Τα αποτελέσματα αντικατοπτρίζουν πολλές ιδιότητες των υλικών, όπως το μέτρο του Young, την αντοχή διαρροής και την τελική αντοχή εφελκυσμού.