Понимание эластичности

Упругость в физике и материаловедении относится к способности тела противостоять силе, вызывающей искажение, и восстанавливать свои первоначальные размеры после снятия силы. При приложении достаточных нагрузок твердые объекты будут деформироваться; если материал эластичный, объект вернется к своим первоначальным размерам и форме после того, как веса будут удалены. В отличие от пластичности, которая предотвращает это и заставляет предмет оставаться деформированным.

В этой статье будут рассмотрены ответы на следующие вопросы:

• Что такое эластичность?
• Как работает эластичность?
• Кто открыл эластичность?
• Почему эластичность полезна?

Что такое эластичность?

Упругость в физике и материаловедении относится к способности тела противостоять силе, вызывающей искажение, и восстанавливать свои первоначальные размеры после снятия силы. При приложении достаточных нагрузок твердые объекты будут деформироваться; если материал эластичный, объект вернется к своим первоначальным размерам и форме после того, как веса будут удалены. В отличие от пластичности, которая предотвращает это и заставляет предмет оставаться деформированным.

Для разных материалов основные физические причины упругого поведения могут сильно различаться. При приложении сил атомная решетка в металлах изменяет размер и форму (в систему добавляется энергия). Решетка возвращается в исходное состояние с более низкой энергией, когда силы устраняются. Эластичность каучуков и других полимеров объясняется растяжением полимерных цепей под действием силы.

Согласно закону Гука, независимо от того, насколько велико расстояние, сила, применяемая для деформации упругих элементов, должна быть прямо пропорциональна расстоянию деформации. Данный объект вернется к своей первоначальной форме независимо от того, насколько сильно он был деформирован; это называется идеальной эластичностью.

Это просто идеальная концепция; в действительности большинство эластичных материалов сохраняют свои чистые упругие свойства только до относительно небольших деформаций, прежде чем подвергнуться пластической (остаточной) деформации.

Модуль упругости, также известный как модуль Юнга, объемный модуль или модуль сдвига, является мерой величины напряжения, необходимого для создания одной единицы деформации. Более высокий модуль указывает на то, что материал труднее деформировать.

Паскаль служит единицей СИ этого модуля (Па). Наибольшее напряжение, которое может существовать до начала пластической деформации, известно как предел упругости материала или предел текучести. Паскаль также является его эквивалентом в системе СИ (Па). Примеры эластичных материалов включают резиновые ленты, эластичные и другие эластичные материалы. С другой стороны, пластилин для лепки довольно неэластичен и сохраняет свою измененную форму даже после того, как приложенная сила прекратилась.

Как работает эластичность?

Когда силы, вызывающие деформацию, снимаются, тело из упругого материала может вернуться к своему прежнему размеру и форме. Эта способность называется упругим поведением (или реакцией) тела. Большинство твердых материалов демонстрируют некоторую упругость, но для каждого материала существует предел величины силы и сопутствующей деформации, в пределах которой достижимо упругое восстановление.

Наибольшее напряжение или сила на единицу площади, которая может существовать в твердом материале до начала остаточной деформации, известна как предел упругости. Материал деформируется или течет, когда прилагаются напряжения выше предела упругости. Предел упругости для таких материалов обозначает переход от упругого поведения к пластическому. Напряжения выше предела упругости вызывают разрушение большинства хрупких материалов с почти минимальной пластической деформацией.

Предел упругости значительно варьируется в зависимости от типа рассматриваемого твердого тела; например, стальной стержень или проволока могут упруго растягиваться только примерно на 1 % от своей первоначальной длины, тогда как эластичное удлинение полос, изготовленных из некоторых резиноподобных материалов, возможно до 1 000 %.

Однако сталь значительно прочнее резины, потому что резине требуется меньшее растягивающее усилие для достижения максимального упругого удлинения (примерно в 0,01 раза), чем для стали. Многие твердые тела при растяжении имеют упругие характеристики, находящиеся между этими двумя крайностями.

Сталь и резина имеют существенно различающиеся микроскопические структуры, поэтому их макроскопические упругие характеристики различны. Межатомные силы ближнего действия, удерживающие атомы в правильном порядке, когда материал не находится под напряжением, придают стали и другим металлам гибкость.

Атомная связь может быть нарушена под действием напряжения с относительно небольшими деформациями. С другой стороны, каучукоподобные вещества и другие полимеры состоят из длинноцепочечных молекул, которые раскручиваются при растяжении вещества и отскакивают при упругом восстановлении. Макроскопическая реакция материала, а не лежащий в ее основе механизм, находится в центре внимания математической теории упругости и ее приложений к инженерной механике.

Линейная зависимость между растягивающим напряжением (силой растяжения или растяжения на единицу площади поперечного сечения материала) и коэффициентом растяжения (разницей между растянутой и начальной длинами, деленной на начальную длину), е, при простом и прямом растяжении. тест характеризует упругую реакцию таких материалов, как сталь и кость.

Другими словами, выражение =Ee означает, что оно пропорционально e, а E, константа пропорциональности, также известна как модуль Юнга. Отношение значений E для резины и стали составляет примерно 100 000, в зависимости от материала. Определяющим законом является уравнение =Ee, также называемое законом Гука.

Посмотрите видео ниже, чтобы узнать больше об эластичности:

Кто открыл эластичность?

Мы всегда знали, что некоторые материалы более гибкие, чем другие, и что они по-разному реагируют на воздействие сил, но Роберт Гук — ключевое имя, которое следует помнить при обсуждении эластичности. Гук, живший при жизни Исаака Ньютона, был первым, кто точно рассчитал и проанализировал, как функционирует эластичность.

Путем обширных испытаний с пружинами Гук открыл закон упругости, иногда известный как закон Гука, в 1660 году. Фундаментальный принцип закона заключается в том, что при относительно небольших деформациях предмета (таких как растяжение или изгибание) смещение или величина деформации точно пропорциональна деформирующей силе или нагрузке. Когда в этих условиях снимается нагрузка, объект восстанавливает свой первоначальный размер и форму.

Более раннее поведение можно использовать для объяснения упругого поведения твердых тел в соответствии с законом Гука. Чтобы материал был эластичным, составляющие его частицы должны иметь возможность двигаться внутри него под действием внешней силы, и согласно закону Гука это движение должно быть прямо пропорционально приложенной силе.

Хотя это не идеальный закон — для больших сил предел упругости часто превышается, что означает, что сила вызывает большую деформацию, чем точно пропорциональна — закон Гука является наиболее важным для понимания, когда вы только начинаете исследовать предмет!

Почему эластичность полезна?

Каждый раз, когда вам нужно что-то сделать, вы должны осознавать важность эластичности. В конце концов, нет смысла создавать такую ​​жесткую конструкцию, которая рухнет в бурю, или линейку, настолько гибкую, что с ее помощью нельзя ничего измерить.

Из-за этого понимание предела упругости материала имеет решающее значение практически для любой задачи, требующей работы по созданию или ремонту объекта, будь то маленький или большой, как небоскреб. Это особенно верно для транспортных средств и зданий.

Когда они подвергаются экстремальной нагрузке, которая может исходить из множества различных источников, мы должны иметь возможность полагаться на эти вещи, чтобы оставаться прочными и не выходить из строя. В частности, для инженеров изучение эластичности имеет важное значение, поскольку оно может значительно повлиять на то, насколько хорошо эти предметы могут противостоять повреждениям.

Вкратце

Закон Гука гласил, что независимо от того, насколько велико расстояние, сила, используемая для деформации эластичных предметов, должна быть прямо пропорциональна расстоянию деформации. Упругость в физике и материаловедении относится к способности тела противостоять силе, вызывающей искажение, и восстанавливать свои первоначальные размеры после снятия силы. Это все, что касается этой статьи, в которой дается ответ на следующие вопросы об эластичности:

• Что такое эластичность?
• Как работает эластичность?
• Кто открыл эластичность?
• Почему эластичность полезна?

Надеюсь, вы многому научились из прочитанного, если да, поделитесь с другими. Спасибо за прочтение, увидимся!