Spannung vs. Dehnung: Ein Leitfaden zum großen Unterschied!

Heute werden wir zwei Wörter untersuchen, die ähnlich klingen, aber sehr unterschiedliche Bedeutungen haben: Spannung und Dehnung. Wenn Sie davon träumen, Ingenieur zu werden oder einfach nur gerne Dinge herzustellen, ist es unglaublich wichtig, den Unterschied zwischen Spannung und Dehnung zu kennen. Es ist der Schlüssel, um sicherzustellen, dass unsere Gebäude, Brücken und sogar unser Spielzeug stark und sicher gebaut werden. In diesem Leitfaden werde ich meine Erfahrung als Ingenieur nutzen, um Ihnen zu zeigen, was diese Wörter bedeuten und warum sie eine sehr wichtige Idee in Wissenschaft und Technik sind.

Was genau ist Stress?

Haben Sie jemals ein Gummiband gedehnt? Dieses ziehende Gefühl ist eine Art Kraft. Stellen Sie sich nun vor, dass sich diese Kraft über das gesamte Gummiband ausbreitet. Das gibt Ihnen eine Vorstellung von Spannung! Für einen Ingenieur ist Spannung die Kraft, die auf einen bestimmten Bereich eines Materials drückt oder zieht. Stellen Sie sich das wie einen Rucksack vor. Mit nur einem Riemen zieht das gesamte Gewicht der Tasche (die Kraft) an einem winzigen Teil Ihrer Schulter. Das ist eine hohe Spannung! Aber wenn Ihr Rucksack zwei breite, weiche Riemen hat, verteilt sich das gleiche Gewicht auf eine größere Fläche. Das bedeutet, dass an einer Stelle weniger Spannung herrscht.

Ein Ingenieur denkt immer über Spannung nach. Wenn sie eine Brücke entwerfen, müssen sie herausfinden, wie viel Spannung die Autos auf die Stützen der Brücke ausüben. Sie messen dies als Kraft pro Flächeneinheit. Wenn ein Material zu viel Spannung hat, kann dies zu einem großen Problem führen, wie z. B. einem Riss oder einem vollständigen Ausfall. Aus diesem Grund ist das Wissen über angelegte Spannung ein sehr wichtiger Bestandteil der Herstellung von Dingen, die auf Langlebigkeit ausgelegt sind.

Also, was ist Sorte dann?

Kehren wir zu unserem Gummiband zurück. Wenn Sie daran ziehen, was passiert dann? Es wird länger! Diese Formveränderung wird als Verformung bezeichnet. Dehnung ist einfach unsere Art, diese Verformung zu messen. Es geht nicht nur darum, wie lang es wird, sondern wie viel länger es im Vergleich zu seiner ursprünglichen Länge wird. Wenn sich beispielsweise ein 10 Zoll langes Gummiband auf 11 Zoll dehnt, hat es sich um 1 Zoll verändert. Die Dehnung ist diese 1-Zoll-Änderung geteilt durch die Ausgangslänge von 10 Zoll.

Dehnung zeigt einem Ingenieur, wie sich ein Material unter Spannung verhält. Wenn Sie eine Kraft auf ein Material ausüben, erzeugen Sie Spannung in seinem Inneren. Das Material reagiert dann auf diese Spannung, indem es seine Form verändert, und diese Veränderung nennen wir Dehnung. Sie können eine Dehnung haben, die ein Material länger macht (wie beim Dehnen des Gummibands) oder eine, die es kürzer macht, wenn Sie es zusammendrücken. Dies wird als Druckdehnung bezeichnet. Jedes Material erfährt eine Dehnung, wenn eine Last darauf ausgeübt wird.

Was ist der Unterschied zwischen Spannung und Dehnung?

Dies ist die wichtigste Frage! Der größte Unterschied ist, dass Spannung die Ursacheist und Dehnung die Wirkungist. Sie können einfach keine Dehnung haben, wenn keine Spannung vorhanden ist. Sie können sich das so vorstellen:

• Stress ist die Kraft, die Sie ausüben und die gefühlt wird innerhalb ein Material.
• Stämme ist, wie sich die Form des Materials verändert weil dieser Spannung.

Eine einfache Möglichkeit, den Unterschied klar zu halten, ist, an das Lernen für eine große Prüfung zu denken. Der Druck, den Sie verspüren, um eine gute Note zu bekommen, ist wie Spannung. Die langen Lernstunden, die Sie müde machen, sind die Dehnung. Die Spannung führt zur Dehnung. In der Materialwissenschaft und -technik können wir Spannung nicht mit unseren Augen sehen, aber wir können die Dehnung oder Verformung, die sie verursacht, leicht sehen und messen.

Hier ist eine einfache Tabelle, um den Unterschied zu zeigen:

Warum interessiert sich ein Ingenieur so sehr für Spannung und Dehnung?

Für jeden Ingenieur ist die Beziehung zwischen Spannung und Dehnung eines der wichtigsten Dinge, die es zu verstehen gilt. Jedes einzelne Material, von Stahl und Kunststoff bis hin zu Holz, hat einen Punkt, an dem es nicht mehr Spannung aushalten kann, bevor es entweder seine Form für immer verändert oder bricht. Durch das Wissen um diese Beziehung kann ein Ingenieur das perfekte Material für ein Projekt auswählen. Zum Beispiel muss das Material, das für den Flügel eines Flugzeugs verwendet wird, eine große Spannung mit sehr geringer Dehnung aushalten, damit sich der Flügel nicht verformt.

Ingenieure führen Tests an einem Material durch, um zu sehen, wie es sich verhält, wenn Spannung angelegt wird. Sie ziehen, schieben und verdrehen eine kleine Probe des Materials, um zu beobachten, wie es sich verhält. Diese Tests ermöglichen es ihnen, ein spezielles Diagramm zu erstellen, das als Spannungs-Dehnungs-Kurve bezeichnet wird, die wie eine geheime Karte ist, die die Eigenschaften des Materials zeigt. Diese Tests sind ein sehr wichtiger Bestandteil der Design- und Fertigungsschritte. Ohne dieses Wissen wäre die Herstellung von Dingen wie ein wildes Raten, und das ist keine sichere Art zu bauen!

Was ist eine Spannungs-Dehnungs-Kurve?

Stellen wir uns vor, dass wir ein Stück eines Materials nehmen, vielleicht einen dünnen Metallstab, und wir legen es in eine spezielle Maschine, die von beiden Enden daran zieht. Die Maschine wird langsam mehr Zugkraft hinzufügen, während sie zwei Dinge misst: die Spannung, die sich im Inneren des Metalls aufbaut, und die Dehnung (wie stark es sich dehnt). Eine Spannungs-Dehnungs-Kurve ist eine grafische Zeichnung, die diesen gesamten Prozess zeigt. Es ist ein Diagramm, das zeigt, was mit der Dehnung geschieht, wenn wir mehr und mehr Spannung anlegen.

Diese Kurve ist für einen Ingenieur äußerst nützlich. Sie erzählt die ganze Geschichte eines Materials, während es auseinandergezogen wird. Sie zeigt die Festigkeit des Materials, wie stark es sich dehnen kann, bevor es brechen könnte, und ob die Verformung etwas ist, das verschwindet oder für immer bleibt. Die Spannungs-Dehnungs-Kurve ist eine grafische Darstellung, die es uns ermöglicht, das mechanische Verhalten jedes Materials zu sehen.

Wie lesen wir eine Spannungs-Dehnungs-Kurve?

Auf den ersten Blick kann eine Spannungs-Dehnungs-Kurve etwas verwirrend aussehen, aber sie ist eigentlich ganz einfach zu lesen, sobald Sie ihre Hauptteile kennen. Die Spannung wird fast immer auf der Auf- und Ab-Linie (der y-Achse) angezeigt, und die Dehnung wird auf der Linie angezeigt, die von Seite zu Seite verläuft (der x-Achse).

1. Der gerade Teil (elastischer Bereich): In der Nähe des Beginns der Kurve finden Sie eine gerade Linie, die in einem Winkel nach oben verläuft. Dieser Abschnitt ist der elastische Bereich. Hier zeigt das Material bei geringer Spannung eine geringe Dehnung. Aber wenn Sie diese Kraft entfernen, springt das Material direkt in seine ursprüngliche Form zurück, genau wie wenn Sie ein Gummiband loslassen. Das bedeutet, dass Sie für jedes bisschen Spannung, das Sie hinzufügen, das gleiche bisschen Dehnung erhalten.
2. Die Biegung (Streckgrenze): Wenn Sie noch mehr Spannung anlegen, gelangen Sie zu einer Stelle, an der sich die Linie auf der Kurve zu biegen beginnt. Diese Stelle wird als Streckgrenze bezeichnet. Wenn Sie nach diesem Punkt mehr Spannung hinzufügen, wird das Material für immer verändert und kehrt nicht in seine ursprüngliche Form zurück. Diese dauerhafte Veränderung wird als plastische Verformung bezeichnet. Der Spannungswert an dieser Stelle wird als Streckgrenze bezeichnet.
3. Die Spitze des Hügels (Zugfestigkeit): Nach der Streckgrenze steigt die Kurve weiter an, bis sie die Spitze des Diagramms erreicht. Dieser höchste Punkt ist die Zugfestigkeit. Sie zeigt die größte Spannung, die das Material aushalten kann, bevor es schwächer wird.
4. Das Ende der Linie (Bruch): Nachdem die Spitze erreicht ist, beginnt sich das Material in einem Bereich zu verdünnen, und die Spannung beginnt zu fallen, bis... Knack! Das Material bricht. Dies wird als Bruchpunkt bezeichnet und markiert das Ende der Kurve.

Was passiert, wenn ein Material zu stark beansprucht wird?

Wenn ein Material zu starker Spannung ausgesetzt wird, kann dies zu einem Ausfall führen. Aber Ausfall bedeutet nicht immer, dass das Material in viele Teile zerspringt. Die erste Art von Ausfall tritt auf, wenn wir die Streckgrenze überschreiten. In diesem Stadium weist das Material eine plastische Verformung auf, was bedeutet, dass es jetzt dauerhaft verbogen oder gedehnt ist. Für einen Ingenieur wird dies normalerweise als Ausfall angesehen, da das Teil nicht mehr die richtige Größe oder Form hat, um richtig zu funktionieren.

Wenn Sie über die Zugfestigkeit hinaus mehr Spannung hinzufügen, beginnt sich das Material zu "verjüngen", was bedeutet, dass es an einer Stelle sehr dünn wird. Nicht lange danach wird es brechen oder vollständig brechen. Ein Ingenieur versucht immer sicherzustellen, dass sein Design die Spannung auf alle Teile deutlich unterhalb der Streckgrenze und insbesondere der Zugfestigkeit hält. Dies stellt sicher, dass die Dinge, die wir jeden Tag verwenden, sicher sind und denen wir vertrauen können.

Sind alle Materialien gleich, wenn es um Spannung und Dehnung geht?

Nein, überhaupt nicht! Jedes Material hat seine ganz eigene spezielle Spannungs-Dehnungs-Kurve. Deshalb sind verschiedene Materialien für verschiedene Aufgaben geeignet. Wir können Materialien in zwei Hauptgruppen einteilen, je nachdem, wie ihre Kurven aussehen: duktil und spröde.

• Duktile Materialien: Denken Sie an eine Büroklammer. Sie können sie in viele Formen biegen, bevor sie schließlich bricht. Materialien wie Stahl, Kupfer und Aluminium sind duktil. Sie können eine große plastische Verformung erfahren, bevor sie schließlich brechen. Auf einer Spannungs-Dehnungs-Kurve zeigt ein duktiles Material eine sehr lange Kurve, nachdem es die Streckgrenze überschritten hat. Dies ist eine wunderbare Eigenschaft, da sie als Warnung dient, bevor ein Ausfall auftritt. Sie können tatsächlich sehen, wie sich das Material biegt oder dehnt.
• Spröde Materialien: Denken Sie nun an eine Glastasse oder einen Keramikteller. Wenn Sie einen fallen lassen, zerbricht er ohne Vorwarnung in Stücke. Diese sind als spröde Materialien bekannt. Sie zeigen sehr wenig oder manchmal keine plastische Verformung. Wenn Sie eine Last auf sie ausüben, dehnen sie sich nur ein wenig und brechen dann plötzlich. Ihre Spannungs-Dehnungs-Kurve ist sehr kurz. Ein spröder Bruch kann sehr unsicher sein, da er ohne Vorwarnzeichen auftritt.

Ein Ingenieur muss für jede Aufgabe die richtige Art von Material auswählen. Für die Stoßstange eines Autos ist ein duktiles Material eine gute Wahl, da es eine Delle bekommen und die Energie eines Aufpralls absorbieren kann. Für ein Küchenmesser ist ein sehr hartes, aber sprödes Material besser geeignet, da es eine scharfe Schneide halten kann.

Wie messen wir Spannung und Dehnung?

Wie ich bereits sagte, kann ein Ingenieur die Eigenschaften eines Materials nicht einfach durch Betrachten erraten. Sie müssen sorgfältige Tests durchführen. Dies ist ein großer Teil der Materialwissenschaft und -technik. Der beliebteste Test ist der Zugversuch. Für diesen Test wird eine Probe (eine kleine, speziell geformte Probe) des Materials in eine spezielle Maschine gelegt.

Diese Maschine zieht dann mit einer sehr sorgfältig kontrollierten Kraft an der Probe. Sie verfügt über spezielle Werkzeuge, die messen, wie viel Kraft verwendet wird und wie stark sich die Probe dehnt. Mithilfe dieser Informationen kann der Ingenieur die Spannung (die Kraft geteilt durch die Querschnittsfläche des Materials) und die Dehnung (die Änderung seiner Länge geteilt durch die Ausgangslänge) ermitteln. Alle diese Zahlen werden in ein Diagramm gezeichnet, um diese sehr wichtige Spannungs-Dehnungs-Kurve zu erstellen. Diese Kurve liefert dem Ingenieur die sehr wichtigen Informationen, die er benötigt, wie z. B. den Elastizitätsmodul des Materials, seine Streckgrenze und seine Zugfestigkeit.

Was bedeutet das für Dinge, die wir täglich benutzen?

Die Ideen von Spannung und Dehnung sind überall, wo Sie hinschauen. Der Stuhl, auf dem Sie gerade sitzen, wurde so konstruiert, dass er die Spannung Ihres Gewichts ohne zu viel Dehnung aushält. Die Gebäude, in denen wir leben und zur Schule gehen, sind mit Materialien wie Stahl und Beton gebaut, die in der Lage sind, enormen Druckspannungen standzuhalten. Wie gut diese Materialien und Strukturen funktionieren, hängt davon ab, wie gut ihre Designer Spannung vs. Dehnung verstanden haben.

Wenn Sie das nächste Mal ein hohes Gebäude oder eine lange Brücke betrachten, denken Sie an die unsichtbaren Kräfte, die am Werk sind. Jedes einzelne Teil dieser Struktur spürt Spannung und aufgrund dessen eine geringe Dehnung. Es ist die Aufgabe eines Ingenieurs, dieses erstaunliche Verhalten von Materialien zu verstehen, damit er eine sichere und wunderbare Welt für alle bauen kann. Die Beziehung zwischen Spannung und Dehnung ist eine grundlegende Idee, die dazu beiträgt, die Welt, in der wir heute leben, möglich zu machen.

Most Important Things to Remember

• Stress ist das Innere Kraft das ein Material fühlt, wenn es geschoben oder gezogen wird.
• Stämme ist die Veränderung der Form oder Verformungdie sich aus Stress.
• Der Haupt Unterschied ist das Stress ist die Ursache und Stamm ist das Ergebnis.
• Eine Ingenieur schaut sich ein Spannungs-Dehnungs-Kurve an, um zu wissen, wie ein Material wird sich verhalten.
• Duktile Materialien, wie ein Metall, können stark gedehnt werden, bevor sie Pause.
• Spröde Materialien, wie ein Stück Glas, können ohne Vorwarnung brechen.
• Das Wissen über Stress und Stamm ist sehr wichtig für die Konstruktion von Dingen, die sicher sind und auf die Sie sich verlassen können.