재료의 탄성이란?- 정의, 예

탄력성이란?

물리학 및 재료 과학에서 탄성은 왜곡된 영향에 저항하고 그 영향이나 힘이 제거될 때 원래 크기와 모양으로 돌아가는 신체의 능력입니다. 단단한 물체는 적절한 하중이 가해지면 변형됩니다. 재료가 신축성이 있는 경우 제거한 후 물체가 초기 모양과 크기로 돌아갑니다. 이것은 물체가 그렇게 하지 못하고 대신 변형된 상태로 남아 있는 가소성과 대조됩니다.

탄성 거동의 물리적 이유는 재료에 따라 상당히 다를 수 있습니다. 금속에서 원자 격자는 힘이 가해지면 크기와 모양이 바뀝니다(시스템에 에너지가 추가됨). 힘이 제거되면 격자는 원래의 낮은 에너지 상태로 돌아갑니다. 고무 및 기타 폴리머의 경우 힘이 가해질 때 폴리머 사슬이 늘어나 탄성이 발생합니다.

Hooke의 법칙에 따르면 탄성 물체를 변형시키는 데 필요한 힘은 거리가 얼마나 커지든 상관없이 변형 거리에 정비례해야 합니다. 이것은 주어진 물체가 아무리 강하게 변형되더라도 원래의 모양으로 되돌아가는 완전 탄성으로 알려져 있습니다.

이것은 이상적인 개념일 뿐입니다. 실제로 탄성을 갖는 대부분의 재료는 매우 작은 변형까지만 순수하게 탄성을 유지하며 그 후에 소성(영구) 변형이 발생합니다.

공학에서 재료의 탄성은 단위 변형률을 달성하는 데 필요한 응력의 양을 측정하는 영률, 벌크 탄성률 또는 전단 탄성률과 같은 탄성 계수로 정량화됩니다. 모듈러스가 높을수록 재료가 변형하기 더 어렵다는 것을 나타냅니다.

이 계수의 SI 단위는 파스칼(Pa)입니다. 재료의 탄성 한계 또는 항복 강도는 소성 변형이 시작되기 전에 발생할 수 있는 최대 응력입니다. SI 단위도 파스칼(Pa)입니다.

예: 고무 밴드와 탄성 및 기타 신축성 있는 재료는 탄성을 나타냅니다. 반면에 모델링 점토는 상대적으로 비탄력적이며 변화의 원인이 된 힘이 더 이상 가해지지 않은 후에도 새로운 형태를 유지합니다.

 

 

탄력성은 어떻게 작용하는가?

탄성은 변형을 일으키는 힘이 제거될 때 변형된 재료 몸체가 원래 모양과 크기로 돌아가는 능력입니다. 이 능력을 가진 신체는 탄력적으로 행동(또는 반응)한다고 합니다.

어느 정도까지는 대부분의 고체 재료는 탄성 거동을 나타내지만 주어진 재료에 대해 탄성 회복이 가능한 힘의 크기와 수반되는 변형에는 한계가 있습니다.

탄성 한계라고 하는 이 한계는 영구 변형이 시작되기 전에 발생할 수 있는 고체 재료 내의 단위 면적당 최대 응력 또는 힘입니다. 탄성 한계를 초과하는 응력으로 인해 재료가 항복하거나 흐르게 됩니다.

이러한 재료의 경우 탄성 한계는 탄성 거동의 끝과 소성 거동의 시작을 표시합니다. 대부분의 취성 재료의 경우 탄성 한계를 초과하는 응력으로 인해 소성 변형이 거의 없는 파단이 발생합니다.

탄성 한계는 고려되는 고체의 유형에 따라 크게 달라집니다. 예를 들어, 강철 막대 또는 와이어는 원래 길이의 약 1%만 탄성적으로 확장될 수 있는 반면 특정 고무 같은 재료의 스트립의 경우 최대 1,000%의 탄성 확장을 달성할 수 있습니다.

그러나 강철은 고무의 최대 탄성 확장에 영향을 미치는 데 필요한 인장력이 강철에 필요한 것보다 적기 때문에(약 0.01배) 고무보다 훨씬 강합니다. 장력이 있는 많은 고체의 탄성 특성은 이 두 극단 사이에 있습니다.

강철과 고무의 다른 거시적 탄성 특성은 매우 다른 미시적 구조에서 비롯됩니다. 강철 및 기타 금속의 탄성은 재료가 응력을 받지 않을 때 원자를 규칙적인 패턴으로 유지하는 단거리 원자간 힘에서 발생합니다.

응력 하에서 원자 결합은 아주 작은 변형에서도 깨질 수 있습니다. 대조적으로, 미시적 수준에서 고무 유사 물질 및 기타 중합체는 물질이 확장될 때 풀리고 탄성 회복으로 반동하는 긴 사슬 분자로 구성됩니다.

탄성에 대한 수학적 이론과 이를 공학 역학에 적용하는 것은 재료의 거시적 반응과 관련이 있으며 이를 유발하는 기본 메커니즘이 아닙니다.

단순 인장 시험에서 강철 및 뼈와 같은 재료의 탄성 응답은 인장 응력(재료 단면의 단위 면적당 인장 또는 인장력), σ 및 신장비( 확장된 길이와 초기 길이의 차이를 초기 길이로 나눈 값), e.

즉, σ는 e에 비례합니다. 이것은 σ = Ee로 표현되며, 여기서 비례 상수인 E를 영률(Young's modulus)이라고 합니다. E 값은 재료에 따라 다릅니다. 강철과 고무에 대한 값의 비율은 약 100,000입니다. 방정식 σ = Ee는 Hooke의 법칙으로 알려져 있으며 구성 법칙의 한 예입니다.

 

누가 탄력성을 발견했을까?

우리는 어떤 재료는 다른 재료보다 더 유연하고 다른 유형의 힘을 받을 때 다른 방식으로 거동한다는 것을 항상 알고 있었지만 탄성과 관련하여 기억해야 할 핵심 인물은 Robert Hooke입니다. Hooke는 Isaac Newton과 동시대 사람이었고 탄력성이 어떻게 작동하는지 제대로 수량화하고 분석한 최초의 사람이었습니다.

1660년 Hooke는 스프링에 대한 오랜 실험을 통해 Hooke의 법칙으로 알려진 탄성의 법칙을 발견했습니다. 법칙의 기본 전제는 물체의 상대적으로 작은 변형(예: 늘이거나 구부림)의 경우 변형의 변위 ​​또는 크기가 변형력 또는 하중에 정비례한다는 것입니다. 이러한 조건에서 물체는 하중을 제거하면 원래 모양과 크기로 돌아갑니다.

Hooke의 법칙에 따른 고체의 탄성 거동은 앞에서 언급한 거동으로 설명할 수 있습니다. 재료를 구성하는 입자가 외부 힘을 받을 때 재료 내에서 움직일 수 있는 경우 재료는 탄성이 있으며, Hooke의 법칙에 따르면 이 움직임은 적용된 힘에 정비례합니다.

그것은 완벽한 법칙이 아닙니다. 더 많은 양의 힘의 경우 탄성 한계가 종종 초과됩니다. 이는 힘이 엄격하게 비례하는 것보다 더 많은 변형을 생성한다는 것을 의미하지만 주제를 탐색하기 시작할 때 Hooke의 법칙이 가장 중요합니다.

 

탄력성이 유용한 이유

탄성은 무언가를 만들어야 할 때마다 이해해야 하는 핵심 속성입니다. 결국 폭풍우에 부서질 정도로 단단한 건물을 짓거나 너무 구부러져서 사용할 수 없는 자를 만드는 것은 의미가 없습니다. 무엇이든 측정!

이 때문에 재료의 탄성 한계에 익숙해지면 숟가락처럼 작든 고층 빌딩처럼 크든 물체를 만들거나 수리하는 작업이 필요한 거의 모든 작업에 매우 유용하며 특히 사물에 중요합니다. 교통수단이나 건물처럼.

다양한 소스에서 올 수 있는 엄청난 양의 긴장을 겪을 때에도 견고하게 유지되고 파손되지 않도록 이러한 것들에 의존할 수 있어야 합니다. 탄성은 이러한 것들을 날씨 손상에 더 잘 대처할 수 있도록 하는 데 큰 역할을 할 수 있으므로 특히 엔지니어에게 중요한 연구 분야입니다!