ความเค้นและความเครียดในทางวิศวกรรม
เมื่อกล่าวถึงวิศวกรรมเครื่องกลหรือสาขาอื่นที่เกี่ยวข้องกัน ทุกคนที่อยู่ในแวดวงนี้คงนี้ไม่พ้นกับคำว่า "ความเครียด (Stress)" และ "ความเค้น(Strain)" ตัวแปรสองตัวที่สร้างความปั่นป่วนให้เราอย่างมาก ทำไมนะเหรอ ก็เพราะเราอยากรู้ว่าถ้าเงื่อนไขเป็นแบบนี้แล้วตัวแปรทั้งสองตัวนี้จะมีค่าเป็นเท่าไร นักวิทยาศาสตร์ได้พยายามหากระบวนการและสมการต่างๆเพื่อมาอธิบายปรากาฏการณ์ทางวิศวกรรมให้อยู่ในรูปของความเครียดและความเค้น ทั้งในรูปของสมการที่มีผลเฉลยกับรูปของสมการที่ต้องใช้ระเบียบวิธีการทางตัวเลขเพื่อช่วยในการหาค่าหรือที่รู้จักกันในนามไฟไนต์อิลิเมนต์ แต่นั่นก็เป็นเพียงการคำนวนที่ต้องใช้สมมติฐานเข้ามาเพื่อทำให้ง่ายขึ้น จากนี้เราจะไปดูกันว่าความเครียดและความเค้นนี้นมีนิยามเป็นอย่างไรและเราจะประยุกต์ใช้กับงานเราได้อย่างไรสมมติว่ามีแผ่นเหล็กที่มีความกว้าง w ยาว l และหนา t ปลายด้านหนึ่งถูกยึดด้วยสลักเกลียวแบบแน่นตรึง ส่วนปลายอีกด้านหนึ่งถูกดึงให้ยึดออกไปจนยาวขึ้นเป็น l' ด้วยแรง ขนาด F
ความเครียด (Stress) ถูกนิยามให้มีค่าเท่ากับแรงที่กระทำต่อหนึ่งหน่วยพื้นที่ พูดง่ายๆก็คือความกดดันนั่นเอง ดังนั้นสามารถเขียนเป็นสมการได้คือ stress = F / A = F / ( wt ) ซึ่งพื้นที่ก็คือหน้าตัดที่แรงกระทำ
ความเค้น ( Strain ) ถูกนิยามให้มีค่าเท่ากับการเสียรูปของชิ้นงานที่เปลี่ยนไปต่อรูปร่างเดิม ในที่นี้จะพิจารณารูปร่างของชิ้นงานในด้านความยาวของชิ้นงานคือ l จากนิยามจะได้ว่า strain = ( l' - l ) / l
ถ้าเราลองดึงชิ้นงานไปเรื่อยๆ แล้วลองวัดค่า stress และ strain นี้ดูก็จะได้กราฟที่เรียกว่า Stress Strain Curve กราฟนี้จะมีลักษณะดังรูปสำหรับแผ่นเหล็กเหนียว แต่ถ้าชิ้นงานทำจากวัสดุอื่นๆ ก็จะได้กราฟที่แตกต่างกันออกไป ถ้าลองสังเกตดูในช่วงต้นๆของกราฟนั้นจะมีลักษณะที่ประมาณได้ว่าเป็นเส้นตรง ที่มีค่าความชันเท่ากับ E ดังนั้นจึงสามารถเขียนสมการเส้นตรงได้เป็น Stress = (E) Strain ค่า E นี้มักจะเรียกโดยทั่วไปว่า ยังโมดูลัส และกราฟนั้จะสิ้นสุดความเป็นเส้นตรงที่จุดจุดหนึ่งจุดนั้นเรียกโดยทั่วไปว่า ยิลด์พ้อย ในรูปคือจุด y หรือโดยทั่วไปจะกำหนดให้เท่ากับ 0.2% ของค่าความเค้นแล้วลากเส้นตรงที่ขนานกับกราฟขึ้นไปตัดกับกราฟจุดตัดก็คือยิลด์พ้อย
ช่วงที่กราฟเป็นเส้นตรงนี้หมายความโดยทั่วไปว่า เมื่อเราออกแรงดึงชิ้นงานถ้าแรงที่เราดึงนั้นไม่ก่อให้เกิดความเค้นที่มากกว่าจุดยิลด์พ้อยแล้ว ชิ้นงานจะหดตัวกลับมาสู่รูปร่างเดิมเมื่อเราเอาแรงที่ดึงออก แต่ถ้าแรงดึงนั้นทำให้ความเค้นมากกว่าจุดยิลด์พ้อยแล้ว ชิ้นงานจะเกิดการเสียรูปอย่างถาวร นั่นคือเมื่อทำการเอาแรงที่ดึงออก ชิ้นงานจะไม่หดตัวกลับมาเป็นรูปร่างเดิม การทำนายการเสียรูปอย่างถาวรของชิ้นงานนี้เป็นส่วนที่ยากที่สุดในการวิเคราะห์ความแข็งแรงของโครงสร้าง ซึ่งต้องอาศัยประสบการณ์อย่างมากในการวิเคราะห์
ไม่มีความคิดเห็น:
แสดงความคิดเห็น