Elasticità (fisica)

Lo stato del corpo 2 dopo la collisione con il corpo più duro 1. Il corpo 2 mostrato nelle linee superiore e inferiore viene deformato dall'urto fino alla linea tratteggiata sinistra. Il corpo 2 idealmente anelastico o plastico nella fila centrale si deforma nella stessa misura e rimane in questo stato. Al contrario, la deformazione del corpo elastico 2 nella fila superiore è completamente diminuita. Nel caso del corpo parzialmente elastico 2 nella fila inferiore, la deformazione arretra solo parzialmente. La linea continua mostra lo stato finale in ogni caso.

L'elasticità è la proprietà di un corpo o materiale di cambiare forma sotto l'azione della forza e di ritornare alla sua forma originale quando la forza agente cessa (esempio: molla). uno differenzia

  • il comportamento elastico-lineare , che è descritto dalla legge di Hooke , si verifica generalmente con piccole deformazioni, anche
  • il comportamento elastico non lineare , in cui la sollecitazione dipende in modo non lineare dalla deformazione. Un tipico esempio qui è l' elasticità della gomma in caso di deformazioni maggiori.

Con tutti i materiali esiste un limite al range di elasticità oltre il quale si osserva il comportamento plastico . Questo è il caso se rimane una deformazione dopo aver rimosso le forze di flessione.

meccanismi

Se una forza agisce su un corpo, la posizione di equilibrio dei suoi elementi costitutivi elementari ( atomi o molecole ) è disturbata. Le distanze tra loro vengono aumentate o diminuite di una piccola quantità, l'energia meccanica utilizzata per questo viene immagazzinata e il pezzo cambia la sua forma esterna. Dopo la scarica , gli atomi o le molecole ritornano nelle loro posizioni originali e il corpo assume la sua forma esterna originale. L'energia per la deformazione viene immagazzinata e rilasciata nuovamente solo quando il carico viene rilasciato.

Se viene superato un certo valore quando viene esercitata la forza, si verifica una deformazione plastica oltre alla deformazione elastica . Questo valore dipende dal materiale ed è chiamato limite elastico . Nel diagramma sforzo-deformazione , è il punto da cui si verifica un'isteresi quando il carico viene rilasciato. La curva di tensione spesso devia dall'andamento lineare qui. Tuttavia, questo punto non è chiaramente definito, ma dipende dal metodo di misurazione. Pertanto, tra l'altro Spesso non viene effettuata un'assegnazione univoca obbligatoria di corpi e materiali alle proprietà elasticità e plasticità, ma si ha una combinazione di entrambe le proprietà o un cambiamento dal comportamento elastico a quello plastico a seconda dell'entità, del tipo e della durata della forza.

La viscoelasticità è una forma speciale di elasticità . Si presenta principalmente con polimeri ed è caratterizzato da un comportamento in parte elastico, in parte viscoso. Dopo aver rimosso la forza esterna, il polimero si rilassa solo in modo incompleto, l'energia rimanente viene dissipata sotto forma di processi di flusso. Qui, un aumento dell'elasticità significa una diminuzione del comportamento viscoso.

modellazione

La teoria dell'elasticità si occupa di modelli materiali con cui si possono rappresentare le proprietà dei corpi elastici . Qui, le leggi di elasticità consentono di calcolare le sollecitazioni che si verificano nel materiale dalle deformazioni forzate nel materiale . Esistono modelli materiali che appartengono sia all'elasticità ipo che a quella di Cauchy . Tuttavia, entrambe le teorie hanno anche membri che non sono coperti dall'altra teoria . I processi dissipativi come il flusso viscoso o plastico di solito possono essere mappati solo in misura limitata o per niente.

Cauchy elasticità

Nell'elasticità di Cauchy, il lavoro di deformazione di un corpo è determinato esclusivamente dalla deformazione corrente. L'elasticità di Cauchy è una proprietà del materiale indipendente dal tempo. Il limite elastico può essere mantenuto nei solidi con deformazioni lente e sufficientemente piccole, come in molte applicazioni tecniche.

Iperelasticità

L'iperelasticità è un caso speciale di elasticità di Cauchy che si verifica quando il lavoro di deformazione è indipendente dal percorso. Il modello di iperelasticità può essere utilizzato per rappresentare deformazioni elastiche non lineari come: B. in gomma o tessuto organico.

Ipoelasticità

Nei modelli ipoelastici, la variazione delle deformazioni di un corpo è una funzione lineare determinata esclusivamente dalle sollecitazioni . Solo quando questa funzione è perseguita nel tempo emerge la relazione sforzo - deformazione per la legge materiale . La formulazione dell'ipoelasticità è così generale da avere collegamenti anche con la teoria della plasticità .

Applicazioni

Nella teoria della forza ingegneristica , più specificamente nella costruzione di edifici e nell'ingegneria dei dispositivi, le proprietà elastiche dei materiali vengono utilizzate per garantire la stabilità dimensionale di strutture e dispositivi sotto l'azione della forza. Nella teoria del fascio , l'elasticità è una componente centrale. Con il calcolo dell'elasticità si ottiene un carico elevato sulle strutture portanti evitando nel contempo il rischio di rottura .

Per poter trattare matematicamente l'elasticità dei materiali in un'approssimazione lineare, si distingue tra tre moduli, che sono collegati tra loro tramite il numero di Poisson :

  • il modulo di elasticità ; descrive la relazione tra tensione ed allungamento durante la deformazione di un corpo solido con comportamento elastico-lineare.
  • il modulo di compressione ; con il suo aiuto si calcola quale variazione di pressione su tutti i lati è necessaria per provocare una certa variazione reversibile di volume.
  • il modulo di taglio ; fornisce informazioni sulla deformazione elastica lineare di un componente come risultato di una forza di taglio o di uno sforzo di taglio.

Il comportamento elastico-lineare di alcuni materiali con piccole deformazioni viene utilizzato per la costruzione e l'applicazione delle molle , vedi costante elastica .

In reologia , l'elasticità lineare è una delle tre proprietà fondamentali oltre alla plasticità e alla viscosità ed è rappresentata nei modelli reologici da una molla, l' elemento Hooke .

L' aeroelasticità e la loro simulazione riscontrate nell'industria aerospaziale e nelle applicazioni per turbine eoliche .

Guarda anche

letteratura

  • Wilhelm Westphal : Fisica. Un libro di testo per studenti di università e istituti tecnici. 2a edizione. Springer, Berlino 1930.
  • Ernst Grimsehl : manuale di fisica di Grimsehl. Volume 1: Meccanica · Acustica · Teoria del calore. 27, edizione invariata. Teubner, Lipsia 1991, ISBN 3-322-00812-6 .

link internet

Evidenze individuali

  1. ↑ Turbine eoliche. DLR - Istituto per l'Aeroelastica, accesso 4 settembre 2021 .
  2. ^ Martin OL Hansen: Aerodinamica delle turbine eoliche. Earthscan, 2008, accesso 4 settembre 2021 .