الإجهاد مقابل الإجهاد: التعريفات والاختلافات والتطبيقات في العالم الحقيقي

هل سبق لك تساءلت لماذا تبقى الجسور مرفوعة أو لماذا تعود الأربطة المطاطية إلى الوراء؟ تكمن الإجابة في فهم الإجهاد و الإجهاد. هذان المفهومان أساسيان لكيفية المواد تتصرف عندما تؤثر عليها القوى. تشرح هذه المقالة هذه الأفكار في بسيطة المصطلحات وإظهار كيفية عملها في العالم الحقيقي.

ما هو الإجهاد؟

الإجهاد هو القوة على جسم ما مقسومًا على المساحة التي يؤثر عليها. فكِّر في الأمر على أنه مدى قوة دفع شيء ما أو سحبه بالنسبة إلى حجمه.

إن الصيغة للإجهاد هو

الإجهاد (σ) = القوة (F) ÷ المساحة (A)

يقاس الإجهاد بـ باسكالس (Pa)، وهو نفس نيوتن لكل متر مربع (N/m²).

أنواع الإجهاد

هناك ثلاثة أنواع رئيسية من الإجهاد:

1. إجهاد الشد: قوى السحب التي تحاول شد مادة ما
2. الإجهاد الضاغط: قوى الدفع التي تحاول سحق المادة
3. إجهاد القص: القوى التي تحاول انزلاق جزء من مادة ما عبر جزء آخر

تشمل الأمثلة الواقعية ما يلي:

• الجسور تتعرض لإجهاد الشد في كابلات الدعم الخاصة بها
• تعليق السيارة التعامل مع الضغط الانضغاطي عند المرور فوق المطبات
• المسامير في قطع التصنيع الآلي باستخدام الحاسب الآلي باستخدام الحاسب الآلي التعرض لإجهاد القص عند التحميل من الجانب

ما هي السلالة؟

سلالة هو مقدار المادة تغيير الشكل استجابة للإجهاد. يقاس التغير في الحجم مقارنة بالحجم الأصلي.

إن الصيغة للإجهاد هو

السلالة (ε) = التغير في الطول (ΔL) ÷ الطول الأصلي (L₀L)

السلالة لها لا توجد وحدات لأنها نسبة بين طولين. وغالبًا ما تظهر على صورة النسبة المئوية أو في سلالة دقيقة الوحدات.

أنواع الإجهاد

تشمل الأنواع الرئيسية للسلالة ما يلي:

1. الإجهاد المحوري: التغير في الطول
2. إجهاد القص: تغيير في الزاوية
3. الإجهاد الحجمي: التغير في الحجم

مقاييس الإجهاد و مقاييس التمدد هي أدوات تستخدم لقياس الإجهاد في المواد مثل تلك المستخدمة في التفريز الدقيق باستخدام الحاسب الآلي الرقمي العمليات.

الإجهاد مقابل الإجهاد: الاختلافات الرئيسية

إليك طريقة بسيطة جدول المقارنة لفهم الاختلافات

الفرق الرئيسي هو أن الإجهاد هو ما تطبقه على المادة، بينما الإجهاد هو كيفية استجابة المادة لهذا الضغط.

شرح منحنى الإجهاد والانفعال

إن منحنى الإجهاد-الإجهاد هو رسم بياني يوضح كيفية تفاعل المادة عند سحبها أو دفعها. هذا المنحنى يشبه منحنى بصمة الإصبع للمواد - كل منها له شكله الفريد الخاص به.

يحتوي المنحنى على عدة نقاط مهمة:

1. المنطقة المرنة: حيث تنبثق المادة مرة أخرى عند تحرير القوة
2. نقطة العائد: حيث تبدأ المادة في تغيير شكلها بشكل دائم
3. المنطقة البلاستيكية: حيث تصبح التغييرات دائمة
4. القوة المطلقة: الحد الأقصى للإجهاد الذي يمكن أن تتحمله المادة
5. نقطة الكسر: حيث تنكسر المادة

مواد مثل الفولاذ (مستخدمة في التصنيع الآلي للصلب باستخدام الحاسوب) لها منحنيات مختلفة عن مواد مثل الألومنيوم.

التطبيقات الواقعية

التطبيقات الهندسية

يستخدم المهندسون مفاهيم الإجهاد والإجهاد عند:

• التصميم المباني لمقاومة الرياح القوية
• إنشاء مكونات الطيران والفضاء يمكنها التعامل مع القوى الشديدة
• البناء الجسور لا تنهار تحت حركة المرور الكثيفة

على سبيل المثال، في التصنيع الآلي باستخدام الحاسب الآلي للتيتانيوم، يساعد فهم الإجهاد والإجهاد على إنشاء أجزاء يمكنها تحمل الظروف القاسية للتطبيقات الفضائية.

استخدامات التصنيع

في التصنيع، تساعد معرفة الضغط والإجهاد في التصنيع:

• مراقبة الجودة في تشكيل المعادن
• الإعداد المناسب معلمات القطع لعمليات التشغيل الآلي
• التصميم القوالب لحقن البلاستيك

أمثلة يومية

يمكنك أن ترى الإجهاد والتوتر في العمل في:

• إطارات السيارات توزيع ضغط الطريق
• إطارات النظارات التي تنحني دون أن تنكسر
• تقويم الأسنان التي تطبق ضغطًا ثابتًا لتحريك الأسنان

خواص المواد بناءً على بيانات الإجهاد والانفعال

لنلقِ نظرة على بعض البيانات الحقيقية للمواد الشائعة:

يوضح هذا الجدول السبب الفولاذ في الهياكل التي تحتاج إلى قوة، بينما المطاط تُستخدم حيثما كانت المرونة مهمة.

دراسات الحالة الشهيرة

انهيار جسر تاكوما ناروز

إن جسر تاكوما ناروز بريدج انهار في عام 1940 لأن الرياح خلقت الإجهاد الالتوائي الرنيني. علّم هذا الفشل الشهير المهندسين كيفية تأثير الضغوط الديناميكية على الهياكل.

ألياف الكربون في الفورمولا 1

سيارات الفورمولا 1 تستخدم مركّبات ألياف الكربون لأنها قادرة على تحمّل الإجهاد العالي (حتى 1200 ميجا باسكال) على الرغم من أن إجهادها إلى الفشل يبلغ حوالي 1.51 تيرابايت 5 تيرابايت فقط. وهذا يمنح السيارات قوة بدون وزن كبير.

كيفية حساب الإجهاد والإجهاد

دعونا نعمل من خلال مثال بسيط:

المشكلة: قضيب فولاذي مقطعه العرضي 10 سم² (0.001 م²) يدعم حمولة مقدارها 5000 نيوتن. احسب الإجهاد.

الحل: الإجهاد = القوة ÷ المساحة الإجهاد = 5000 نيوتن ÷ 0.001 م² = 5,000,000 باسكال أو 5 ميجا باسكال

مثال على الإجهاد: إذا تمدد القضيب بمقدار 0.2 مم (0.0002 م) من طوله الأصلي البالغ 1 م:

الانفعال = التغير في الطول ÷ الطول الأصلي الانفعال = 0.0002 م ÷ 1 م = 0.0002 أو 0.02%

الأسباب الشائعة لفشل المواد

يساعد فهم سبب فشل المواد في منع حدوث المشاكل:

حوالي 60% من الأعطال الميكانيكية تحدث بسبب الإرهاق - عندما يتم الضغط على المادة بشكل متكرر.

معامل يونغ: العلاقة بين الإجهاد والإجهاد

معامل يونغ (هـ) يصف كيف قاسية مادة ما. وهي نسبة الإجهاد إلى الإجهاد في منطقة المرونة.

E = الإجهاد ÷ الإجهاد

إليك كيفية المقارنة بين المواد المختلفة:

وهذا يوضح السبب الماس صعب للغاية و المطاط مرنة للغاية. تحتاج المواد ذات قيم معامل يونج العالية إلى الكثير من القوة للتمدد أو الانضغاط.

قانون هوك والمرونة

قانون هوك تنص على أن الإجهاد يتناسب طرديًا مع الإجهاد في منطقة المرونة. وهذا يعني أنك إذا ضاعفت القوة، فإنك تضاعف التمدد - طالما أنك في منطقة المرونة.

يستخدم هذا المبدأ في العديد من التطبيقات من الينابيع في تعليق السيارة إلى الأجزاء الدقيقة تم إنشاؤها من خلال التصنيع الآلي للنماذج الأولية باستخدام الحاسب الآلي بنظام التحكم الرقمي.

التصميم من أجل القوة باستخدام معرفة الإجهاد والانفعال

يستخدم المهندسون هذه المفاهيم لتصميم منتجات آمنة من خلال:

• العمل تحت قوة الخضوع لتجنب التشوه الدائم
• حساب قيمة عامل الأمان للتطبيقات الحرجة
• اختيار المواد بناءً على منحنيات الإجهاد-الإجهاد
• الاختبار مع معايير ASTM للتحقق من خصائص المواد

على سبيل المثال، في التصنيع الآلي باستخدام الحاسب الآلي للألومنيوم، تساعد معرفة خصائص الإجهاد-الإجهاد في تحديد أفضل معلمات القطع وقوى التشبيك.

الأسئلة الشائعة حول الإجهاد والإجهاد

الخاتمة

الإجهاد و الإجهاد تساعدنا على فهم سبب سلوك المواد بالطريقة التي تتصرف بها. الإجهاد هو القوة المؤثرة على جسم ما، بينما الإجهاد هو كيفية تغير شكل هذا الجسم استجابة لذلك.

ويستخدم المهندسون هذه المعرفة لتصميم كل شيء بدءًا من تشكيل آلي دقيق المكونات إلى الجسور الضخمة. من خلال فهم العلاقات بين الإجهاد والإجهاد وخصائص المواد، يمكننا إنشاء تصميمات أكثر أمانًا وكفاءة.

في المرة القادمة التي ترى فيها جسرًا يمتد على نهر أو تشاهد شريطًا مطاطيًا ينفصل بعد شده، ستعرف أن علم الإجهاد والإجهاد يجعل كل ذلك ممكنًا.