شکننده = بسیار سفت اما نه چندان قوی

[rohamavation]

سعی می کردم موادی را در حال برخورد تصور کنم و به موادی فکر می کردم که اصلاً تغییر شکل نمی دهند. طبیعتاً این ایده‌آلی‌سازی است که در واقعیت وجود ندارد، اما اگر وجود داشت، فکر می‌کنم ماده‌ای با سفتی بی‌نهایت خواهد بود.
می‌خواستم ماده‌ای را تصور کنم که آنقدر سفت باشد که برخوردهایش کاملاً مخرب باشد یا از حفظ تکانه سرپیچی کند. اگر یک ماده بی نهایت سفت باشد، پس برخورد آنی است و دارای یک ضربه بی نهایت است. در هر صورت اینها همه آرمان سازی است.
اوکی، داشتم سعی می‌کردم تصور کنم که موادی با هم برخورد می‌کنند و به موادی فکر می‌کردم که واقعاً تغییر شکل نمی‌دهند. البته می‌دونم که این ایده‌آلی‌سازیه و در واقعیت وجود نداره، ولی فکر می‌کردم اگه واقعاً بود، ماده‌ای که داشتم توش فکر می‌کردم، سفتی بی‌نهایت داشته باشه.
می‌خواستم تصور کنم ماده‌ای که از دیدگاه سختی، برخوردهایش خیلی مخرب باشه یا تکانه رو به شدت حفظ کنه. اگه یه ماده بی‌نهایت سفت باشه، برخوردش همیشه آنی و دارای یه ضربه بی‌نهایته. البته اینم میدونم که همه‌شون فقط فکرها و ایده‌های آرمانی هستن.
پس موادی که سفت هستند اما قوی نیستند، ممکنه در نمودار تنش و کرنش یه سری خاصیت‌ها داشته باشن. مثلاً موادی که یه منطقه کشسانی قوی دارن (سفتی بالا)، ولی خیلی زود انحراف می‌دند (استحکام پایین). این ممکنه مواد شکننده باشند. می‌تونید اینو تصور کنید که مثل یک مسطح زمین است. اگر زمین خیلی سفت باشه ولی بلندی کمی داشته باشه، زمانی که بخوایم یه چیز سنگین رو رویش بذاریم، زود به زمین فشار میاره و ممکنه شکسته بشه.
حالا برای مثال موادی که این خاصیت رو دارند، می‌تونیم به برخی از پلاستیک‌ها، چرم، یا حتی برخی از فلزات نرم اشاره کنیم. اینها ممکنه زمانی که بهشون فشار میارید، زود انحراف بدن ولی خیلی زود به شکستن نمی‌رسند.
البته باید بگم که در دنیای واقعی، مواد مختلف خصوصیات مختلفی دارن و نه همیشه شکننده یا همیشه قوی نیستند. مثلاً یه فولاد ممکنه همزمان سفت و قوی باشه. اما اگه موادی رو دنبال کنید که به شکلی خاص سفتی دارند اما در مقایسه با این سفتی، قوی نیستند، مثل شکستنی یا خمیری، ممکنه به نتیجه برسید که این مواد دارای خاصیت "شکننده" هستند.
حتما! درباره موضوع جقرمگی، استرس، و کرنش در مواد بیاید صحبت کنیم.
استرس و کرنش دو مفهوم مهم در علم مواد هستند که در نمودار استرس-کرنش مورد بررسی قرار می‌گیرند. برای توضیح بهتر، اجازه بدهید این دو مفهوم را توضیح دهم:
استرس (Stress): استرس نشان‌دهنده نیرویی است که بر واحد مساحت یک ماده اعمال می‌شود. به عبارت دقیق‌تر، استرس برابر با نیرو تقسیم بر مساحت سطح مورد نظر ماده است. واحد استرس در نظام بین‌المللی (SI) نیوتن بر متر مربع (N/m²) یا پاسکال (Pa) است.
کرنش (Strain): کرنش نشان‌دهنده تغییر اندازه یا شکل ماده در پاسخ به استرس است. کرنش با تقسیم تغییر اندازه به اندازه اولیه ماده محاسبه می‌شود و بی‌وحدگی دارد.
حالا به نمودار استرس-کرنش فکر کنید. این نمودار برای هر ماده نشان‌دهنده رفتار ماده در برابر نیروها و تغییرات ابعاد آن است. دو منطقه مهم در این نمودار وجود دارد:
ناحیه الاستیک (Elastic Region): در این ناحیه، ماده به اثر استرس پاسخ می‌دهد اما بعد از حذف نیرو (یا استرس)، به حالت اولیه خود بازمی‌گردد بدون ایجاد تغییر دائمی در شکل یا ابعاد. کرنش در این ناحیه به عنوان کرنش الاستیک شناخته می‌شود.
ناحیه پلاستیک (Plastic Region): اگر استرس به حدی برسد که از محدوده الاستیک خارج شود، ماده به تغییر دائمی در شکل یا ابعاد خود پرداخته و وارد ناحیه پلاستیک می‌شود. در این ناحیه، ماده قابل شکل‌دهی است اما بعد از اعمال نیرو، یک تغییر دائمی در شکل خود ایجاد می‌کند.
از جقرمگی هم برای توضیح راحت‌تر می‌توان استفاده کرد. جقرمگی به تغییر شکل فشرده‌ای اشاره دارد که در ماده به وجود می‌آید. مثلاً در فلزات، ممکن است بر اثر فشار یا فشار شدید، ماده به صورت محلی فشرده شود و شکل جقرمه مانندی به خود بگیرد.
به عنوان مثالی از این مفاهیم، فکر کنید که یک تست تنش-کرنش بر روی یک نمونه فلزی انجام می‌شود. در ابتدا، نمونه به اثر استرس (نیرویی که به واحد مساحت می‌آید) پاسخ می‌دهد و کرنش الاستیک را تجربه می‌کند. اگر استرس افزایش یابد و از حد الاستیک بیرون برود، نمونه وارد ناحیه پلاستیک می‌شود و تغییرات دائمی در شکل خود ایجاد می‌کند.
در مواردی که یک ماده به سختی به حالت اولیه خود بازنمی‌گردد و دارای ناحیه الاستیک بزرگی است، ممکن است این ماده به عنوان "سفت" در نظر گرفته شود. اما اگر در اثر استرس، ماده به راحتی شکل‌پذیر شود و در ناحیه پلاستیک تغییرات دائمی رخ دهد، ممکن است این ماده را به عنوان "قابل شکل‌دهی" یا حتی "شکننده" در نظر بگیریم.
چیزی که من در نهایت شروع به فکر کردن کردم سفتی در برابر استحکام یک ماده بود. در پایان، من در مورد ماده ای که سفت است اما قوی نیست کنجکاو شدم. برخوردها بسیار مخرب خواهند بود. آیا این تعریف "شکننده" است، یعنی ماده ای که سفت است اما قوی نیست؟ چند نمونه عالی از موادی که سفت هستند اما قوی نیستند کدامند؟بیشتر این ویژگی‌ها با نگاه کردن به نمودار تنش در مقابل کرنش آزمایش مواد به خوبی توضیح داده می‌شوند. اما ابتدا یک آغازگر سریع در مورد تنش و کرنش: در علم مواد، ما در تلاشیم تا مشخص کنیم که مواد بدون توجه به شکل آنها چگونه رفتار می کنند، اما بدیهی است که یک بخش قوی تر از یک ماده مشابه قوی تر خواهد بود درست است؟ روش معمولی برای دور زدن این واقعیت این است که مقدار نیرو را گرفته و آن را بر اندازه قطعه تقسیم کنیم. این منجر به تبدیل واحدهای نیرو به واحدهای فشار (نیروی روی یک سطح معین) می شود. به طور مشابه، واحدهای انحراف (میزان فشرده شدن، کشش یا خم شدن قطعه) با درصد اندازه گیری می شوند. دو طول طناب را تحت کشش یکسان تصور کنید. طولانی‌تر بر اساس طولانی‌تر بودن آن نسبت به کوتاه‌تر، کشش بیشتری خواهد داشت. بنابراین کرنش به عنوان درصد کشش (یا فشرده سازی) در مقابل طول شروع اندازه گیری می شود.
حالا بیایید با یک نمودار ساده از استرس در مقابل کرنش (نیرو در مقابل کشش) یک میله فلزی که به نصف کشیده شده است شروع کنیم (دنیای واقعی طبق معمول پیچیده تر است):

[rohamavation]

فشار استرس
با رفتن از چپ به راست بیشتر مواد با یک ناحیه الاستیک شروع می‌شن جایی که مواد می‌توانند کشیده شوند، اما پس از رها شدن دوباره برگشت می‌کنند. شیب خط در این منطقه مستقیماً به سفت بودن یک ماده (چقدر سخت است که برای تغییر شکل آن فشار دهید) ارتباط دارد. گاهی اوقات کلماتی مانند سفتی و استحکام به جای هم استفاده می شوند، اما در مهندسی "سفتی" فقط باید به این اشاره داشته باشد که چقدر باید فشار دهید تا مقدار مشخصی از انحراف را بدست آورید.
هنگامی که یک ماده را بیش از حد به جلو فشار دهید، ممکن است برای همیشه شروع به تغییر شکل کند که «نقطه تسلیم» را نشان می‌دهد: نقطه‌ای که اگر بیشتر تغییر شکل دهید، وقتی نیرو آزاد می‌شود، ماده تا آخر بازنمی‌گردد. شکل دقیق منحنی فراتر از نقطه تسلیم به چیزهای زیادی بستگی دارد (در واقع حتی خاصیت ارتجاعی در واقعیت همیشه خطی نیست)، اما در فلزات حداقل زمانی که فراتر از ناحیه کشسانی خود کشیده می شوند، تا زمانی که شکسته شوند کمی قوی تر می شوند. نقطه شکست).
قبل از اینکه به جلو برویم، می خواهم به این نکته اشاره کنم که در جمله آخر کلمه "قدرت" ذکر شده است. برخلاف سختی، "استحکام" فقط به تنش (و نه تنش تقسیم بر انحراف) در نقاط بحرانی مشخصی در نمودار اشاره دارد. اولین نقطه چنین نقطه تسلیم است که نیرویی است که در آن شروع به تغییر شکل دائمی مواد می کنیم و دوم نقطه شکست است که حداکثر نیرو قبل از شکستن ماده است (و نیرو به صفر برمی گردد).
در فیزیک به یاد بیاورید که اگر نیرویی را در یک فاصله معین اعمال کنید که می تواند به عنوان انرژی کل تعریف شود. بنابراین مساحت زیر نمودار در ناحیه الاستیک (به رنگ صورتی سایه دار) کل انرژی الاستیکی است که می توانید در ماده ذخیره کنید. اگر بخش آبی روشن را نیز اضافه کنید، کل انرژی لازم برای شکستن مواد را دریافت خواهید کرد. هنگامی که ما در مورد مواد بسیار سفت صحبت می کنیم (شیب زیاد ناحیه الاستیک)، عرض این مثلث معمولاً نسبتاً کوچک است، به این معنی که انرژی زیادی برای فراتر رفتن از ناحیه الاستیک لازم نیست. ممکن است همچنان به مقدار زیادی نیرو برای فراتر رفتن از آن ناحیه الاستیک نیاز داشته باشد، بنابراین همچنان می‌توان آن را "قوی" در نظر گرفت، اما اگر مدت کوتاهی پس از عبور از منطقه الاستیک شکسته شود، هنوز انرژی زیادی ندارد. از طرف دیگر مواد سخت معمولاً قبل از شکستن تغییر شکل می دهند و این عرض به آنها مساحت زیادی در زیر نمودار می دهد به این معنی که انرژی زیادی برای شکستن آنها لازم است.
من در آغاز به فکر کردن در مورد موادی بودم که در تصادفات هیچ تغییر شکلی ندارند. این به وضوح یک ایده‌آل‌سازی است که در واقعیت وجود ندارد، اما اگر واقعیت داشته باشد، فکر می‌کنم ماده‌ای با سفتی بی‌نهایت خواهد بود.
من سعی می‌کردم یک ماده را تصور کنم که به قدری سفت باشد که هر برخوردی کاملاً مخرب باشد یا تکانه را به صورت کامل حفظ کند. اگر یک ماده سفت بی‌نهایت باشد، پس برخورد آنی است و دارای یک ضربه بی‌نهایت است. البته این‌ها همه آرمان‌سازی است.
سپس به فکر افتادم که در مورد ماده‌ای با سفتی بالا اما استحکام پایین فکر کنم. آیا این تعریف "شکننده" است، یعنی ماده‌ای که سفت است اما قوی نیست؟ چند نمونه عالی از موادی که سفت هستند اما قوی نیستند چیزهایی مثل چیه؟
بیشتر این ویژگی‌ها با نگاه کردن به نمودار تنش در مقابل کرنش در آزمایش مواد به خوبی توضیح داده می‌شوند. اما اول یک توضیح سریع در مورد تنش و کرنش: ما در علم مواد تلاش می‌کنیم تا مشخص کنیم که مواد چگونه رفتار می‌کنند، بدون در نظر گرفتن شکل ظاهری آنها. اما بدیهی است که بخش قوی‌تری از یک ماده نسبت به ماده‌ای مشابه قوی‌تر خواهد بود. راه معمول برای دور زدن این واقعیت این است که مقدار نیرو را گرفته و آن را بر اندازه قطعه تقسیم کنیم. این منجر به تبدیل واحدهای نیرو به واحدهای فشار (نیرو روی یک سطح معین) می‌شود. به طور مشابه، واحدهای انحراف (میزان فشرده‌شدن، کشش یا خم‌شدن قطعه) با درصد اندازه‌گیری می‌شوند. دو طول طناب را تحت کشش یکسان تصور کنید. طولانی‌تر بر اساس طولانی‌تر بودن آن نسبت به کوتاه‌تر، کشش بیشتری خواهد داشت. بنابراین کرنش به عنوان درصد کشش (یا فشرده‌سازی) در مقابل طول شروع اندازه‌گیری می‌شود.
حالا بیایید با یک نمودار ساده از استرس در مقابل کرنش (نیرو در مقابل کشش) یک میله فلزی که به نصف کشیده شده است شروع کنیم (دنیای واقعی طبق معمول پیچیده‌تر است):
با حرکت از چپ به راست، بیشتر مواد با یک ناحیه الاستیک شروع می‌شوند. این نشان‌دهنده این است که مواد می‌توانند کشیده شوند، اما بعد از رها شدن دوباره به حالت اولیه خود بازمی‌گردند بدون ایجاد تغییر دائمی در شکل یا ابعاد. این ناحیه الاستیک به عنوان ناحیه کرنش الاستیک شناخته می‌شود.
اگر استرس به حدی برسد که از حد الاستیک خارج شود، مواد به تغییر دائمی در شکل یا ابعاد خود پرداخته و وارد ناحیه پلاستیک می‌شوند. در این ناحیه، مواد دارای تغییرات دائمی در ساختار مولکولی خود هستند.
نقطه تسلیم نقطه‌ای است که اگر بیشتر از آن استرس اعمال شود و مواد به اندازه کافی کشیده شوند، وقتی نیرو از آنها برداشته شود، دیگر به حالت اولیه خود بازنخواهند گشت و تغییرات دائمی درجا خواهند ماند. این نقطه نشان‌دهنده پایان ناحیه کرنش الاستیک و ورود به ناحیه پلاستیک است.
در ادامه استرس افزایش می‌یابد تا زمانی که به حداکثر می‌رسد که مواد به شکل یا ابعاد جدیدی تغییر کرده و از بین رفته‌اند. این نقطه را نقطه شکست نامیده و این نشان‌دهنده حداکثر استرس قبل از شکست مواد است.
حالا به توضیح اینکه چرا هواپیماهای ترابری معمولاً مرکز ثقلشان قبل از مرکز آیرودینامیک دارند بر می‌گردم.