Kas yra Youngo modulis?
RunPhoto, Getty Images
Youngo modulis ( IR arba Y ) yra a matas kietas standumas arba atsparumas elastinei deformacijai veikiant apkrovai. Tai susiję su stresu ( jėga ploto vienetui) įtempti (proporcinga deformacija) išilgai ašies arba linijos. Pagrindinis principas yra tas, kad medžiaga elastingai deformuojasi ją suspaudus arba ištempus, o nuėmus apkrovą grįžta į pradinę formą. Lanksčioje medžiagoje atsiranda daugiau deformacijų, palyginti su standžia medžiaga. Kitaip tariant:
- Maža Youngo modulio vertė reiškia, kad kieta medžiaga yra elastinga.
- Didelė Youngo modulio vertė reiškia, kad kieta medžiaga yra neelastinga arba standi.
Lygtis ir vienetai
Youngo modulio lygtis yra tokia:
E = σ / ε = (F/A) / (ΔL/L0) = FL0/ AΔL
Kur:
- E yra Youngo modulis, paprastai išreiškiamas Paskalis (na)
- σ yra vienaašis įtempis
- ε yra deformacija
- F yra suspaudimo arba išplėtimo jėga
- A yra skerspjūvio paviršiaus plotas arba skerspjūvis, statmenas veikiančiai jėgai
- Δ L yra ilgio pokytis (neigiamas suspaudus; teigiamas ištempus)
- L0yra originalus ilgis
Nors Youngo modulio SI vienetas yra Pa, vertės dažniausiai išreiškiamos megapaskaliais (MPa), Niutonai kvadratiniam milimetrui (N/mmdu), gigapaskaliais (GPa) arba kiloniutonais kvadratiniam milimetrui (kN/mm).du). Įprastas angliškas vienetas yra svarai kvadratiniame colyje (PSI) arba mega PSI (Mpsi).
Istorija
Pagrindinę Youngo modulio koncepciją 1727 m. aprašė šveicarų mokslininkas ir inžinierius Leonhardas Euleris. 1782 m. italų mokslininkas Giordano Riccati atliko eksperimentus, kurių pagrindu buvo atlikti šiuolaikiniai modulio skaičiavimai. Tačiau modulis savo pavadinimą gavo iš britų mokslininko Thomaso Youngo, kuris aprašė jo apskaičiavimą savo knygoje Gamtos filosofijos ir mechanikos menų paskaitų kursas 1807 m. Jis tikriausiai turėtų būti vadinamas Riccati moduliu, atsižvelgiant į šiuolaikinį jo istorijos supratimą, tačiau tai sukeltų painiavą.
Izotropinės ir anizotropinės medžiagos
Youngo modulis dažnai priklauso nuo medžiagos orientacijos. Izotropinių medžiagų mechaninės savybės yra vienodos visomis kryptimis. Pavyzdžiui, gryni metalai ir keramika . Apdorojant medžiagą arba į ją pridedant priemaišų, gali susidaryti grūdėtosios struktūros, dėl kurių mechaninės savybės yra kryptingos. Šios anizotropinės medžiagos gali turėti labai skirtingas Youngo modulio vertes, priklausomai nuo to, ar jėga apkraunama išilgai grūdo, ar statmenai jam. Geri anizotropinių medžiagų pavyzdžiai yra mediena, gelžbetonis ir anglies pluoštas.
Youngo modulio verčių lentelė
Šioje lentelėje pateikiamos įvairių medžiagų pavyzdžių tipinės vertės. Atminkite, kad tiksli mėginio vertė gali šiek tiek skirtis, nes tyrimo metodas ir mėginio sudėtis turi įtakos duomenims. Apskritai daugumos sintetinių pluoštų Youngo modulio vertės yra mažos. Natūralūs pluoštai yra standesni. Metalai ir lydiniai paprastai pasižymi didelėmis vertėmis. Didžiausias Youngo modulis yra karbinui, an alotropas anglies.
| Medžiaga | GPa | Mpsi |
|---|---|---|
| Guma (mažas įtempimas) | 0,01–0,1 | 1,45–14,5 × 10−3 |
| Mažo tankio polietilenas | 0,11–0,86 | 1,6–6,5 × 10−2 |
| Diatominiai dribsniai (silicio rūgštis) | 0,35–2,77 | 0,05–0,4 |
| PTFE (teflonas) | 0.5 | 0,075 |
| HDPE | 0.8 | 0,116 |
| Bakteriofagai kapsidai | 1–3 | 0,15–0,435 |
| Polipropilenas | 1,5–2 | 0,22–0,29 |
| Polikarbonatas | 2–2.4 | 0,29-0,36 |
| Polietileno tereftalatas (PET) | 2–2,7 | 0,29–0,39 |
| Nailonas | 2–4 | 0,29–0,58 |
| Polistireninis, kietas | 3–3,5 | 0,44–0,51 |
| Polistirenas, putplastis | 2,5–7x10-3 | 3,6–10,2x10-4 |
| Vidutinio tankio medienos plaušų plokštės (MDF) | 4 | 0,58 |
| Mediena (išilgai grūdų) | vienuolika | 1.60 |
| Žmogaus žievės kaulas | 14 | 2.03 |
| Stiklu sustiprinta poliesterio matrica | 17.2 | 2.49 |
| Aromatiniai peptidiniai nanovamzdeliai | 19–27 val | 2,76–3,92 |
| Didelio stiprumo betonas | 30 | 4.35 |
| Aminorūgščių molekuliniai kristalai | 21–44 | 3.04–6.38 val |
| Anglies pluoštu sustiprintas plastikas | 30–50 | 4.35–7.25 val |
| Kanapių pluoštas | 35 | 5.08 |
| Magnis (Mg) | Keturi. Penki | 6.53 |
| Stiklas | 50–90 | 7.25–13.1 |
| Linų pluoštas | 58 | 8.41 |
| Aliuminis (Al) | 69 | 10 |
| Perlamutras (kalcio karbonatas) | 70 | 10.2 |
| Spektaklis | 70,5–112,4 | 10.2–16.3 |
| Dantų emalis (kalcio fosfatas) | 83 | 12 |
| Dilgėlių pluoštas | 87 | 12.6 |
| Bronza | 96–120 | 13,9–17,4 |
| Žalvaris | 100–125 | 14,5–18,1 |
| Titanas (Ti) | 110.3 | 16 |
| Titano lydiniai | 105–120 | 15–17.5 val |
| Varis | 117 | 17 |
| Anglies pluoštu sustiprintas plastikas | 181 | 26.3 |
| Silicio kristalas | 130–185 | 18.9–26.8 |
| Kalta geležis | 190–210 | 27,6–30,5 |
| Plienas (ASTM-A36) | 200 | 29 |
| Itrio geležies granatas (YIG) | 193-200 | 28-29 |
| Kobalto chromas (CoCr) | 220–258 | 29 |
| Aromatinių peptidų nanosferos | 230–275 | 33,4–40 |
| Berilis (Be) | 287 | 41.6 |
| Molibdenas (Mo) | 329–330 | 47,7–47,9 |
| Volframas (W) | 400–410 | 58–59 |
| Silicio karbidas (SiC) | 450 | 65 |
| Volframo karbidas (WC) | 450–650 | 65–94 |
| Osmis (Os) | 525–562 | 76,1–81,5 |
| Viensienis anglies nanovamzdelis | 1000+ | 150+ |
| Grafenas (C) | 1050 | 152 |
| Deimantas (C) | 1050–1210 | 152–175 |
| Karbinas (C) | 32100 | 4660 |
Elastingumo moduliai
Modulis tiesiogine prasme yra „matas“. Galite išgirsti Youngo modulį, vadinamą tamprumo modulis , tačiau matuoti naudojamos kelios išraiškos elastingumas :
- Youngo modulis apibūdina tempimo elastingumą išilgai linijos, kai taikomos priešingos jėgos. Tai tempimo įtempių ir tempimo deformacijų santykis.
- The tūrinis modulis (K) yra kaip Youngo modulis, išskyrus tris matmenis. Tai yra tūrinio elastingumo matas, apskaičiuojamas kaip tūrinis įtempis, padalytas iš tūrinės deformacijos.
- Šlytis arba standumo modulis (G) apibūdina šlytį, kai objektą veikia priešingos jėgos. Jis apskaičiuojamas kaip šlyties įtempis, palyginti su šlyties deformacija.
Ašinis modulis, P bangos modulis ir pirmasis Lamé parametras yra kiti elastingumo moduliai. Puasono koeficientas gali būti naudojamas lyginant skersinę susitraukimo deformaciją su išilgine pratęsimo deformacija. Kartu su Huko dėsniu šios reikšmės apibūdina medžiagos elastines savybes.
Šaltiniai
- ASTM E 111, Standartinis Youngo modulio, tangento modulio ir akordo modulio tyrimo metodas “. Standartų knyga Tomas: 03.01.
- G. Riccati, 1782 m. Dėl cilindrų garso vibracijų , Mem. mat. tapti soc. italų, t. 1, 444-525 p.
- Liu, Mingjie; Artiukhovas, Vasilijus I; Lee, Hoonkyungas; Xu, Fangbo; Yakobson, Borisas I (2013). „Karbynas iš pirmųjų principų: C atomų grandinė, nanorodas ar nanoropė?“. ACS nano . 7 (11): 10075–10082. doi: 10.1021/nn404177r
- Truesdell, Clifford A. (1960). Racionali lanksčių arba elastingų kūnų mechanika, 1638–1788: Leonhardi Euleri Opera Omnia įvadas, t. X ir XI, Seriei Secundae . Orell Fussli.