تنش (مکانیک)

(تغییرمسیر از تنش (فیزیک))

در مکانیک محیط های پیوسته ، تنش مقداری فیزیکی است.تنش نیروهای داخلی ای را نشان می دهد که ذرات یک ماده پیوسته در مجاورت یکدیگر به هم وارد می کنند، در حالی که کرنش معیاری برای اندازه گیری تغییرشکل مواد است. به عنوان مثال ، هنگامی که یک نوار عمودی جامد، از وزن بالای سرش پشتیبانی می کند ، هر ذره به ذرات پایینتر از خود نیز نیرویی فشاری اعمال می کند. هنگامی که یک مایع در یک محفظه بسته تحت فشار قرار دارد ،به هر ذره از طرف تمام ذرات اطراف آن فشار وارد می شود. دیوارهای ظرف و سطح فشار-محرک (مانند یک پیستون) در واکنشی نیوتونی، به آن ها نیز فشار وارد می کند. این نیروهای ماکروسکوپی در حقیقت نتیجه خالص تعداد بسیار زیادی نیروهای بین مولکولی و برخورد بین ذرات موجود در آن مولکول ها است . استرس به طور معمول با حرف سیگما کوچک یونانی (σ) نشان داده می شود.

تنش
Plastic Protractor Polarized 05375.jpg
تنش های پسماند درون یک نقاله پلاستیکی که به وسیله نور تک قطبی شده مشخص شده اند.
نمادهای رایج
σ
دستگاه بین‌المللی یکاهاPascal
یکاهای دیگر
lbf per square inch ( lbf/in2 ) psi, bar
یکای اصلی اس‌آیPa = kgm−1s−2
تحلیل ابعادیM L−1 T−2

فشار درون یک ماده ممکن است بوسیله مکانیسم های مختلفی ایجاد شود ، به عنوان مثال تنشی که توسط نیروهای خارجی به مواد حجیم (مانند نیروی جاذبه) یا به سطح آن اعمال می شود (مانند نیروهای تماسی ، فشار خارجی و یا اصطکاک). هر گونه کرنش (تغییر شکل) در یک ماده جامد باعث ایجاد تنش کشسان داخلی، مشابه نیروی واکنش یک فنر می شود، که تمایل دارد ماده را به حالت غیر تغییرشکل یافته اصلی خود بازگرداند. در مایعات و گازها، فقط تغییر شکل هایی که باعث تغییر حجم شوند، تنش کشسان مداوم ایجاد می کنند. با این حال ، اگر تغییر شکل به تدریج با گذشت زمان تغییر کند ، حتی در مایعات نیز مقداری تنش لزجت وجود خواهد داشت که با این تغییر مخالفت کند. تنش های کسشان و لزجت معمولاً تحت عنوان استرس مکانیکی نامیده می شوند.

تنش مکانیکی

تنش های قابل توجه ممکن است حتی زمانی که تغییر شکل چشم گیری نیز وجود ندارد، وجود داشته باشد. (یک فرض رایج هنگام مدل سازی جریان آب). تنش ممکن است در غیاب نیروهای خارجی نیز وجود داشته باشد؛ . به عنوان مثال ، در بتن پیش ساخته و شیشه حرارت دیده ، اینگونه تنش های درونی مهم هستند. تنش ممکن است بدون اعمال نیروهای خالص نیز به وجود آید، به عنوان مثال با تغییر دما، ترکیب شیمیایی و یا میدانهای الکترومغناطیسی خارجی (مانند مواد پیزوالکتریک و مغناطیس محدودکننده) تنش می تواند به یک ماده تحمیل شود.

رابطه بین تنش مکانیکی ، تغییر شکل و نرخ تغییر شکل می تواند کاملاً پیچیده باشد؛ هرچند تقریب خطی برای تغییرات به اندازه کافی کوچک مناسب و قابل استفاده است. تنشی که از حداستحکام در مواد بیشتر شود، منجر به تغییر شکل دائمی (مانند جریان پلاستیک ، شکست ، حفره زایی ) یا حتی تغییر ساختار کریستالی و ترکیب شیمیایی آن می شود .

در برخی از شاخه های مهندسی ، اصطلاح استرس گاه در معنایی ضعیف تر به عنوان مترادفی برای "نیروی داخلی" به کار می رود. به عنوان مثال ، در تجزیه و تحلیل خرپاها ، تنش ممکن است به نیروهای کششی یا نیروهای فشاری که بر روی یک تیر عمل می کنند ، اشاره کند ، نه به نیروی تقسیم شده بر مساحت سطح مقطع آن تیر.

تاریخچهویرایش

 
پلی از تمدن رومی در سوئیس

از گذشته های دور، بشر آگاهانه از تنش درون مواد مطلع بوده است. تا قرن هفدهم ، درک تنش تا حد زیادی شهودی و تجربی بود. با این حال ، همان درک شهودی وتجربی، به برخی فن آوری هایی که به طرز تعجب آوری پیشرفته بودند ، مانند کمان های ترکیبی و شیشه گری منجر شد. [۱]

خلاصهویرایش

تعریفویرایش

تنش به عنوان نیرویی در محدوده ای "كوچك" در واحد سطح آن محدوده ، برای همه جهت گیری های آن تعریف شده است. تنش از یک مقدار فیزیکی اساسی (نیرو) و یک مقدار هندسی خالص (مساحت) ناشی می شود. همچنین تنش مقداری اساسی مانند سرعت ، گشتاور یا انرژی است که بدون در نظر گرفتن صریح ماهیت ماده یا دلایل فیزیکی به وجودآورنده آن اندازه گیری و تجزیه و تحلیل می شود.

تنش نرمال و برشیویرایش

به طور کلی ، تنش T که یک ذره P روی یک ذره Q دیگر در سطح S اعمال می کند، می تواند هر جهتی نسبت به S داشته باشد. بردار T می تواند به عنوان مجموع دو مؤلفه در نظر گرفته شود: تنش نرمال ( فشاری یا کششی ) عمود بر سطح ، و تنش برشی که به موازات سطح است.

اگر بردار عمود واحد n از سطح (با جهت گیری از Q به P ) ثابت در نظر گرفته شود ، مؤلفه عادی را می توان تنها با یک عدد که حاصل ضرب داخلی(نقطه ای) T · n است، توصیف کرد. این عدد، اگر P در حال "کشیدن" Q باشد (تنش کششی) مثبت ، و اگر P درحال "هل دادن" Q باشد(تنش فشاری) منفی است.

در این صورت مولفه برشی، بردار T − (T · n)nخواهد بود.

واحدهای اندازه گیریویرایش

ابعاد تنش همانند ابعاد فشار است و بنابراین معمولاً مختصات آن در همان واحدهایی که فشار اندازه گیری می شود، اندازه گیری می شود: یعنی پاسکال (Pa ، یعنی نیوتن بر متر مربع ) در سیستم بین المللی یکاها یا پوند بر اینچ مربع (psi) در سیستم انگلیسی از آنجا که تنش های مکانیکی به راحتی از یک میلیون پاسکال عبور می کنند ، MPa ، که مخفف مگاپاسکال است ، یک واحد معمول در محاسبه تنش است.

علل و اثراتویرایش

تنش در یک ماده ممکن است به دلایل مختلف فیزیکی ، از جمله تأثیرات خارجی و فرآیندهای فیزیکی درونی باشد. برخی از این عوامل (مانند گرانش ، تغییر در دما و فاز و میدانهای الکترومغناطیسی) بر روی بخش حجمی ماده عمل می کنند ، و به طور مداوم با موقعیت و زمان تغییر می یابند. عوامل دیگر (مانند بارهای خارجی و اصطکاک ، فشار محیط و نیروهای تماسی) ممکن است تنش و نیروهایی ایجاد کنند که در سطوح ، خطوط یا نقاط خاصی متمرکز شده و احتمالاً در فواصل زمانی بسیار کوتاه (مانند ضربه ها به دلیل برخورد) اعمال شوند. در ماده فعال ، پیشرانش ذرات میکروسکوپی باعث ایجاد پروفایل تنش ماکروسکوپی می شود. [۲] به طور کلی ، توزیع تنش در یک جسم به عنوان یک تابع پیوسته چندضابطه ای از فضا و زمان بیان می شود.

  1. Gordon, J.E. (2003). Structures, or, Why things don't fall down (2. Da Capo Press ed.). Cambridge, MA: Da Capo Press. ISBN 0306812835.
  2. Marchetti, M. C.; Joanny, J. F.; Ramaswamy, S.; Liverpool, T. B.; Prost, J.; Rao, Madan; Simha, R. Aditi (2013). "Hydrodynamics of soft active matter". Reviews of Modern Physics. 85 (3): 1143–1189. doi:10.1103/RevModPhys.85.1143.