Elastizität verstehen

Elastizität bezieht sich in Physik und Materialwissenschaften auf die Fähigkeit eines Körpers, einer Kraft zu widerstehen, die eine Verformung verursacht, und seine ursprünglichen Abmessungen wieder herzustellen, sobald die Kraft zurückgezogen wurde. Wenn ausreichende Lasten aufgebracht werden, verformen sich feste Objekte; Wenn das Material elastisch ist, nimmt das Objekt nach dem Entfernen der Gewichte wieder seine ursprüngliche Größe und Form an. Im Gegensatz zur Plastizität, die dies verhindert und dazu führt, dass der Artikel verformt bleibt.

In diesem Artikel werden die Antworten auf die folgenden Fragen diskutiert:

• Was ist Elastizität?
• Wie funktioniert Elastizität?
• Wer hat die Elastizität entdeckt?
• Warum ist Elastizität nützlich?

Was ist Elastizität?

Elastizität bezieht sich in Physik und Materialwissenschaften auf die Fähigkeit eines Körpers, einer Kraft zu widerstehen, die eine Verformung verursacht, und seine ursprünglichen Abmessungen wieder herzustellen, sobald die Kraft zurückgezogen wurde. Wenn ausreichende Lasten aufgebracht werden, verformen sich feste Objekte; Wenn das Material elastisch ist, nimmt das Objekt nach dem Entfernen der Gewichte wieder seine ursprüngliche Größe und Form an. Im Gegensatz zur Plastizität, die dies verhindert und dazu führt, dass der Artikel verformt bleibt.

Bei verschiedenen Materialien können die zugrunde liegenden physikalischen Ursachen des elastischen Verhaltens stark variieren. Bei Einwirkung von Kräften verändert das Atomgitter in Metallen Größe und Form (dem System wird Energie zugeführt). Das Gitter kehrt in seinen anfänglichen niedrigeren Energiezustand zurück, wenn Kräfte eliminiert werden. Die Dehnung von Polymerketten unter Krafteinwirkung verleiht Kautschuken und anderen Polymeren ihre Elastizität.

Nach dem Hookeschen Gesetz sollte die Kraft, die zur Verformung elastischer Gegenstände aufgewendet wird, unabhängig davon, wie groß der Abstand ist, direkt proportional zum Verformungsweg sein. Ein gegebenes Objekt kehrt in seine ursprüngliche Form zurück, unabhängig davon, wie stark es verformt wurde; dies wird als perfekte Elastizität bezeichnet.

Dies ist einfach ein ideales Konzept; Tatsächlich behalten die meisten elastischen Materialien ihre rein elastischen Eigenschaften nur bis zu relativ geringen Verformungen bei, bevor sie plastisch (dauerhaft) verformt werden.

Der Elastizitätsmodul, auch bekannt als Elastizitätsmodul, Kompressionsmodul oder Schermodul, ist ein Maß für die Menge an Spannung, die erforderlich ist, um eine Dehnungseinheit zu erzeugen. Ein höherer Modul zeigt an, dass das Material schwieriger zu verformen ist.

Das Pascal dient als SI-Einheit (Pa) dieses Moduls. Die höchste Spannung, die vor Beginn der plastischen Verformung bestehen kann, wird als Streckgrenze oder Streckgrenze des Materials bezeichnet. Pascal ist auch sein SI-Äquivalent (Pa). Beispiele für elastische Materialien umfassen Gummibänder, elastische und andere dehnbare Materialien. Knetmasse hingegen ist eher unelastisch und behält auch nach Beendigung der Krafteinwirkung ihre veränderte Form bei.

Wie funktioniert Elastizität?

Wenn die die Verformung erzeugenden Kräfte gelöst werden, kann ein elastischer Materialkörper in seine vorherige Größe und Form zurückkehren. Diese Fähigkeit wird als elastisches Verhalten (oder Reaktion) in einem Körper bezeichnet. Die meisten festen Materialien zeigen ein gewisses Maß an elastischem Verhalten, aber für jedes Material gibt es eine Grenze für die Kraft und die damit einhergehende Verformung, innerhalb derer eine elastische Rückstellung erreichbar ist.

Die höchste Spannung oder Kraft pro Flächeneinheit, die in einem festen Material vor dem Beginn der bleibenden Verformung auftreten kann, ist als Elastizitätsgrenze bekannt. Material gibt nach oder fließt, wenn Spannungen oberhalb der Elastizitätsgrenze aufgebracht werden. Die Elastizitätsgrenze solcher Materialien bezeichnet den Übergang vom elastischen zum plastischen Verhalten. Spannungen oberhalb der Elastizitätsgrenze führen bei den meisten spröden Materialien zu einem Bruch mit fast minimaler plastischer Verformung.

Die Elastizitätsgrenze variiert erheblich in Abhängigkeit von der Art des betrachteten Feststoffs; Beispielsweise kann ein Stahlstab oder -draht nur um etwa 1 % seiner ursprünglichen Länge elastisch gedehnt werden, während bei Streifen aus einigen gummiartigen Materialien elastische Dehnungen von bis zu 1.000 % möglich sind.

Stahl ist jedoch deutlich stärker als Gummi, da Gummi weniger Zugkraft benötigt, um die maximale elastische Dehnung zu erreichen (um einen Faktor von etwa 0,01), als Stahl. Viele gespannte Festkörper haben elastische Eigenschaften, die zwischen diesen beiden Extremen liegen.

Stahl und Gummi haben deutlich unterschiedliche mikroskopische Strukturen, weshalb ihre makroskopischen elastischen Eigenschaften unterschiedlich sind. Kurzreichweitige interatomare Kräfte, die die Atome in regelmäßigen Mustern halten, wenn das Material nicht unter Spannung steht, verleihen Stahl und anderen Metallen ihre Flexibilität.

Die Atombindung kann unter Belastung mit relativ geringen Verformungen aufgebrochen werden. Andererseits bestehen gummiartige Substanzen und andere Polymere aus langkettigen Molekülen, die sich beim Dehnen der Substanz abwickeln und bei der elastischen Rückstellung zurückziehen. Die makroskopische Reaktion des Materials, nicht der zugrunde liegende Mechanismus, steht im Mittelpunkt der mathematischen Elastizitätstheorie und ihrer Anwendung auf die technische Mechanik.

Die lineare Beziehung zwischen der Zugspannung (Zug- oder Dehnungskraft pro Flächeneinheit des Materialquerschnitts) und dem Dehnungsverhältnis (Differenz zwischen der gedehnten und der anfänglichen Länge dividiert durch die anfängliche Länge), e, in einer einfachen und direkten Spannung Test charakterisiert die elastische Reaktion von Materialien wie Stahl und Knochen.

Mit anderen Worten bedeutet der Ausdruck =Ee, dass es proportional zu e ist, und E, die Proportionalitätskonstante, ist auch als Elastizitätsmodul bekannt. Das Verhältnis der E-Werte für Gummi und Stahl beträgt je nach Material etwa 100.000. Ein konstitutives Gesetz ist die Gleichung =Ee, auch als Hookesches Gesetz bezeichnet.

Sehen Sie sich das folgende Video an, um mehr über Elastizität zu erfahren:

Wer hat die Elastizität entdeckt?

Wir haben schon immer gewusst, dass einige Materialien flexibler sind als andere und dass sie unterschiedlich auf Kräfte reagieren, aber Robert Hooke ist der entscheidende Name, den man im Hinterkopf behalten sollte, wenn es um Elastizität geht. Hooke, der zu Isaac Newtons Lebzeiten lebte, war der Erste, der genau berechnet und analysiert hat, wie Elastizität funktioniert.

Durch ausgiebige Tests mit Federn entdeckte Hooke 1660 das Gesetz der Elastizität, manchmal auch als Hookesches Gesetz bekannt Das Ausmaß der Verformung ist genau proportional zur Verformungskraft oder Belastung. Wenn die Last unter diesen Umständen entfernt wird, nimmt das Objekt seine ursprüngliche Größe und Form wieder an.

Das frühere Verhalten kann verwendet werden, um das elastische Verhalten von Festkörpern nach dem Hookeschen Gesetz zu erklären. Damit ein Material elastisch ist, müssen sich seine Bestandteile in seinem Inneren als Reaktion auf eine äußere Kraft bewegen können, und gemäß dem Hookeschen Gesetz muss diese Bewegung direkt proportional zur ausgeübten Kraft sein.

Obwohl es sich nicht um ein perfektes Gesetz handelt – bei größeren Kräften wird die Elastizitätsgrenze häufig überschritten, was impliziert, dass die Kraft mehr Verformung verursacht, als genau proportional ist – ist das Gesetz von Hooke das Wichtigste, das Sie verstehen müssen, wenn Sie gerade erst anfangen, sich mit dem Thema zu befassen!

Warum ist Elastizität nützlich?

Jedes Mal, wenn Sie etwas herstellen müssen, sollten Sie sich der Bedeutung der Elastizität bewusst sein. Schließlich hat es keinen Sinn, eine Struktur zu schaffen, die so starr ist, dass sie bei einem Sturm zusammenbricht, oder ein Lineal, das so flexibel ist, dass man damit nichts messen kann.

Aus diesem Grund ist das Verständnis der Elastizitätsgrenze eines Materials für fast jede Aufgabe von entscheidender Bedeutung, bei der Arbeiten zur Herstellung oder Reparatur eines Objekts erforderlich sind, unabhängig davon, ob es sich um ein kleines oder großes Objekt wie einen Wolkenkratzer handelt. Dies gilt insbesondere für Dinge wie Fahrzeuge und Gebäude.

Wenn sie extremen Belastungen ausgesetzt werden, die aus verschiedenen Quellen stammen können, müssen wir uns darauf verlassen können, dass diese Dinge robust bleiben und nicht versagen. Insbesondere für Ingenieure ist die Untersuchung der Elastizität von entscheidender Bedeutung, da sie einen erheblichen Einfluss darauf haben kann, wie gut diese Gegenstände geeignet sind, Schäden zu widerstehen.

Zusammenfassung

Das Hookesche Gesetz besagt, dass, egal wie groß der Abstand ist, die zur Verformung elastischer Gegenstände aufgewendete Kraft direkt proportional zum Verformungsweg sein sollte. Elastizität bezieht sich in Physik und Materialwissenschaft auf die Fähigkeit eines Körpers, einer Kraft zu widerstehen, die eine Verformung verursacht, und seine ursprünglichen Abmessungen wieder herzustellen, sobald die Kraft zurückgezogen wurde. Das ist alles für diesen Artikel, in dem das Folgende über Elastizität beantwortet wird:

• Was ist Elastizität?
• Wie funktioniert Elastizität?
• Wer hat die Elastizität entdeckt?
• Warum ist Elastizität nützlich?

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