Elasticiteit begrijpen

Elasticiteit in de natuurkunde en materiaalkunde verwijst naar het vermogen van een lichaam om een ​​kracht te weerstaan ​​die vervorming veroorzaakt en om zijn oorspronkelijke afmetingen te herstellen zodra de kracht is teruggetrokken. Wanneer er voldoende belastingen worden uitgeoefend, zullen vaste objecten vervormen; als het materiaal elastisch is, keert het object terug naar zijn oorspronkelijke grootte en vorm nadat de gewichten zijn verwijderd. In tegenstelling tot plasticiteit, die dit voorkomt en ervoor zorgt dat het item vervormd blijft.

In dit artikel worden de antwoorden op de volgende vragen besproken:

• Wat is elasticiteit?
• Hoe werkt elasticiteit?
• Wie heeft elasticiteit ontdekt?
• Waarom is elasticiteit nuttig?

Wat is elasticiteit?

Elasticiteit in de natuurkunde en materiaalkunde verwijst naar het vermogen van een lichaam om een ​​kracht te weerstaan ​​die vervorming veroorzaakt en om zijn oorspronkelijke afmetingen te herstellen zodra de kracht is teruggetrokken. Wanneer er voldoende belastingen worden uitgeoefend, zullen vaste objecten vervormen; als het materiaal elastisch is, keert het object terug naar zijn oorspronkelijke grootte en vorm nadat de gewichten zijn verwijderd. In tegenstelling tot plasticiteit, die dit voorkomt en ervoor zorgt dat het item vervormd blijft.

Voor verschillende materialen kunnen de onderliggende fysieke oorzaken van elastisch gedrag sterk variëren. Wanneer krachten worden uitgeoefend, verandert het atoomrooster in metalen in grootte en vorm (energie wordt aan het systeem toegevoegd). Het rooster keert terug naar zijn aanvankelijke lagere energietoestand wanneer krachten worden geëlimineerd. Het uitrekken van polymeerketens wanneer er krachten op worden uitgeoefend, geeft rubbers en andere polymeren hun elasticiteit.

Volgens de wet van Hooke, hoe groot de afstand ook is, de kracht die wordt gebruikt om elastische items te vervormen, moet recht evenredig zijn met de afstand van vervorming. Een bepaald object zal terugkeren naar zijn oorspronkelijke vorm, ongeacht hoe ernstig het is vervormd; dit staat bekend als perfecte elasticiteit.

Dit is gewoon een ideaal concept; in werkelijkheid behouden de meeste elastische materialen hun pure elastische eigenschappen alleen tot relatief kleine vervormingen voordat ze plastische (permanente) vervorming ondergaan.

De elasticiteitsmodulus, ook bekend als Young's modulus, bulkmodulus of shear modulus, is een maat voor de hoeveelheid spanning die nodig is om één rekeenheid te produceren. Een hogere modulus geeft aan dat het materiaal moeilijker te vervormen is.

De pascal dient als de SI-eenheid (Pa) van deze modulus. De hoogste spanning die kan bestaan ​​voordat de plastische vervorming begint, staat bekend als de elastische limiet of vloeigrens van het materiaal. Pascal is ook het SI-equivalent (Pa). Voorbeelden van elastische materialen zijn elastiekjes, elastiek en andere rekbare materialen. Boetseerklei daarentegen is nogal inelastisch en behoudt zijn veranderde vorm, zelfs nadat de uitgeoefende kracht is gestopt.

Hoe werkt elasticiteit?

Wanneer de krachten die de vervorming veroorzaken worden opgeheven, kan een lichaam van elastisch materiaal terugkeren naar zijn eerdere grootte en vorm. Dit vermogen wordt elastisch gedrag (of respons) in een lichaam genoemd. De meeste vaste materialen vertonen een zekere mate van elastisch gedrag, maar voor elk materiaal is er een grens aan de hoeveelheid kracht en de bijbehorende vervorming waarbinnen elastisch herstel haalbaar is.

De hoogste spanning of kracht per oppervlakte-eenheid die in een vast materiaal kan bestaan ​​voordat de permanente vervorming begint, staat bekend als de elastische limiet. Materiaal vloeit of vloeit wanneer spanningen worden uitgeoefend boven de elastische limiet. De elasticiteitsgrens voor dergelijke materialen geeft de overgang van elastisch naar plastisch gedrag aan. Spanningen boven de elastische limiet veroorzaken breuk in de meeste brosse materialen met bijna minimale plastische vervorming.

De elastische limiet varieert aanzienlijk, afhankelijk van het type vaste stof dat wordt overwogen; een stalen staaf of draad kan bijvoorbeeld slechts ongeveer 1% van de oorspronkelijke lengte elastisch worden verlengd, terwijl elastische verlengingen tot 1.000% mogelijk zijn voor strips die zijn gemaakt van sommige rubberachtige materialen.

Staal is echter aanzienlijk sterker dan rubber omdat rubber minder trekkracht nodig heeft om de maximale elastische extensie te beïnvloeden (met een factor van ongeveer 0,01) dan staal. Veel vaste stoffen onder spanning hebben elastische eigenschappen die tussen deze twee uitersten vallen.

Staal en rubber hebben aanzienlijk verschillende microscopische structuren, daarom zijn hun macroscopische elastische eigenschappen verschillend. Interatomaire krachten op korte afstand die de atomen in regelmatige patronen houden wanneer het materiaal niet onder spanning staat, geven staal en andere metalen hun flexibiliteit.

De atomaire binding kan onder spanning worden verbroken met relatief kleine vervormingen. Aan de andere kant zijn rubberachtige stoffen en andere polymeren samengesteld uit moleculen met een lange keten die zich afwikkelen als de stof wordt uitgerekt en terugveren tijdens elastisch herstel. De macroscopische reactie van het materiaal, niet het onderliggende mechanisme, is de focus van de wiskundige theorie van elasticiteit en de toepassing ervan op technische mechanica.

De lineaire relatie tussen de trekspanning (trek- of rekkracht per oppervlakte-eenheid van de dwarsdoorsnede van het materiaal) en de rekverhouding (verschil tussen de verlengde en initiële lengte gedeeld door de initiële lengte), e, in een eenvoudige en directe spanning test karakteriseert de elastische respons van materialen zoals staal en bot.

Met andere woorden, de uitdrukking =Ee betekent dat deze evenredig is met e, en E, de evenredigheidsconstante, staat ook bekend als Young's modulus. De verhouding van E-waarden voor rubber en staal is ongeveer 100.000, afhankelijk van het materiaal. Een constitutieve wet is de vergelijking =Ee, ook wel de wet van Hooke genoemd.

Bekijk de video hieronder voor meer informatie over elasticiteit:

Wie heeft elasticiteit ontdekt?

We hebben altijd geweten dat sommige materialen flexibeler zijn dan andere en dat ze op verschillende manieren op krachten reageren, maar Robert Hooke is de cruciale naam om in gedachten te houden bij het bespreken van elasticiteit. Hooke, die leefde tijdens het leven van Isaac Newton, was de eerste die nauwkeurig berekende en analyseerde hoe elasticiteit werkt.

Door uitgebreide tests met veren ontdekte Hooke in 1660 de wet van elasticiteit, ook wel bekend als de wet van Hooke. hoeveelheid vervorming is precies evenredig met de vervormingskracht of belasting. Wanneer de belasting onder deze omstandigheden wordt verwijderd, neemt het object zijn oorspronkelijke grootte en vorm weer aan.

Het eerdere gedrag kan worden gebruikt om het elastische gedrag van vaste stoffen volgens de wet van Hooke te verklaren. Om een ​​materiaal elastisch te maken, moeten de samenstellende deeltjes erin kunnen bewegen als reactie op een externe kracht, en volgens de wet van Hooke moet deze beweging recht evenredig zijn met de uitgeoefende kracht.

Hoewel het geen perfecte wet is - voor grotere krachten wordt de elastische limiet vaak overschreden, wat inhoudt dat de kracht meer vervorming veroorzaakt dan precies evenredig is - is de wet van Hooke het meest cruciaal om te begrijpen wanneer je net begint met het onderzoeken van het onderwerp!

Waarom is elasticiteit nuttig?

Elke keer dat je iets moet maken, moet je je bewust zijn van het belang van elasticiteit. Het heeft immers geen zin om een ​​constructie te maken die zo stijf is dat hij instort bij een storm of een liniaal die zo flexibel is dat je er niets mee kunt meten.

Daarom is het begrijpen van de elastische limiet van een materiaal cruciaal voor bijna elke taak die vereist is om een ​​object te maken of te repareren, of het nu klein of groot is zoals een wolkenkrabber. Dit geldt met name voor zaken als voertuigen en gebouwen.

Wanneer ze onder extreme druk komen te staan, die afkomstig kan zijn van verschillende bronnen, moeten we erop kunnen vertrouwen dat deze dingen stevig blijven en niet falen. Vooral voor ingenieurs is het bestuderen van elasticiteit essentieel, omdat het een aanzienlijke invloed kan hebben op hoe geschikt deze items zijn om schade te weerstaan.

Samengevat

De wet van Hooke stelde dat hoe groot de afstand ook is, de kracht die wordt gebruikt om elastische items te vervormen, recht evenredig moet zijn met de afstand van vervorming. Elasticiteit in de natuurkunde en materiaalkunde verwijst naar het vermogen van een lichaam om een ​​kracht te weerstaan ​​die vervorming veroorzaakt en om zijn oorspronkelijke afmetingen te herstellen zodra de kracht is teruggetrokken. Dat is alles voor dit artikel, waar het volgende over elasticiteit wordt beantwoord:

• Wat is elasticiteit?
• Hoe werkt elasticiteit?
• Wie heeft elasticiteit ontdekt?
• Waarom is elasticiteit nuttig?

Ik hoop dat je veel van het lezen leert, zo ja, deel het dan met anderen. Bedankt voor het lezen, tot ziens!