Stress Shearing:Ορισμός, τύπος και παραδείγματα.

Προσπαθήσατε ποτέ να λυγίσετε ή ακόμα και να σπάσετε ένα ραβδί από χαρτόνι, αλλά δυστυχώς δεν τα καταφέρατε επειδή ήταν απλώς πολύ χοντρό; Στη συνέχεια, πιθανότατα το ακούμπησες σε έναν τοίχο, το πάτησες με μεγάλη δύναμη και το έσπασες. Το στρες και μόνο είναι αυτό που προκαλεί τη διάσπασή του είναι η διατμητική τάση.

Η διατμητική τάση είναι το μέγεθος της δύναμης ανά μονάδα επιφάνειας κάθετο στην αξονική του μέλους. Όταν σταθήκατε σταθερά πάνω στο ραβδί από χαρτόνι, παράγονται δύο διαφορετικοί τύποι τάσεων:

• Η καμπτική τάση, γνωστή και ως τάση κάμψης, εκτείνεται παράλληλα με την αξονική διεύθυνση του μέλους.
• Η διατμητική τάση εκτείνεται κάθετα προς την αξονική διεύθυνση του μέλους.

Τι είναι η διατμητική τάση;

Ορισμός διατμητικής τάσης:Η διατμητική τάση είναι μια δύναμη που σπάει τις δομές και λαμβάνει χώρα κατά μήκος ενός ή περισσότερων επιπέδων. Η διατμητική τάση συνδέεται συχνότερα με τη μελέτη της φυσικής, αλλά περιστασιακά χρησιμοποιείται και σε άλλους τομείς όπως η μηχανική ή η γεωλογία. Περιπτώσεις διατμητικής τάσης γίνονται αισθητές από δομικά υλικά για μηχανική ή σε απότομο λόφο ή βουνό που μπορεί να γλιστρήσει, με αποτέλεσμα μια κατολίσθηση, για γεωλογία.

Αν και η διατμητική τάση είναι μια δύναμη μέσα της, μπορεί επίσης να θεωρηθεί ως μια συλλογή δυνάμεων. Η διατμητική τάση, για παράδειγμα, μπορεί να προκύψει από έναν συνδυασμό παραγόντων, όπως η βαρύτητα που κατεβάζει αντικείμενα στην πλαγιά, απώλεια αντίστασης τριβής από κόκκους άμμου ή βράχους ή ανύψωση βαρέων αντικειμένων στην πλαγιά.

Παραδείγματα διατμητικής τάσης

Στην πραγματικότητα, κάθε φορά που κόβετε ή σπάτε κάτι, μεταφέρετε διατμητική τάση. Άλλες περιπτώσεις διατμητικής τάσης είναι δύναμη που ασκείται σε έναν αγωγό από ρευστό σε κίνηση. Το διατμητικό στρες κάνει ένα κάστρο από άμμο να πέφτει όταν κάποιος περπατά πάνω του και όχι απλώς να ξεκουράζεται. Οι γεωτεχνικοί μηχανικοί λαμβάνουν υπόψη τη διατμητική τάση του εδάφους κατά την κατασκευή της θεμελίωσης μιας κατασκευής για την αποφυγή αστοχίας λόγω διάτμησης.

Όταν χρησιμοποιείται ένα ψαλίδι για την κοπή ενός κομματιού χαρτιού, τα δύο τμήματα εφαρμόζουν πλευρικές τάσεις που θέτουν το μέλος (χαρτί) υπό τάση διάτμησης, επιτρέποντας στο χαρτί να κοπεί.

Τύπος διατμητικής τάσης

Ο τύπος κανονικού στρες μπορεί να δηλωθεί ως εξής:

τ =F / A

όπου:

τ =διατμητική τάση (εκφρασμένη σε πασκάλ ή N/m²)

F =δύναμη διάτμησης (εκφρασμένη σε N)

A =εμβαδόν (εκφρασμένο σε m²)

Μονάδες διατμητικής τάσης

Όπως αναφέρθηκε, η διατμητική τάση μετράται σε Pascals ή Newtons ανά τετραγωνικό μέτρο (N/m²).

• Ένα Pascal ισοδυναμεί με ένα N/m².
• Το Newton είναι μια ανάλυση της δύναμης που απαιτείται για να μετακινηθεί ένα κιλό (kg) ένα μέτρο (m) ανά δευτερόλεπτο (s) ανά δευτερόλεπτο.
• Τα Pascals ή Newton ανά τετραγωνικό μέτρο (N/m²), μονάδες διατμητικής τάσης, αντιπροσωπεύουν τη δύναμη που απαιτείται για τη μετακίνηση ενός κιλού υλικού ανά δευτερόλεπτο σε μια συγκεκριμένη περιοχή (m2). Οι μονάδες διατμητικής τάσης μετρούν πόση δύναμη πρέπει να ασκηθεί σε μια συγκεκριμένη θέση κλίσης για να καταρρεύσει και να γλιστρήσει η κλίση προς τα κάτω.

Τι είναι η μέγιστη διατμητική τάση;

Η μέγιστη διατμητική τάση είναι η ποσότητα της διατμητικής δύναμης που παράγεται σε έναν σχετικά συμπαγή χώρο. Η διατμητική τάση εμφανίζεται σε όλο το δομικό στοιχείο που παρατηρείται όταν μια εξωτερική δύναμη ενεργεί σε κατεύθυνση που είναι αντίθετη και εκτός ευθυγράμμισης με τις εσωτερικές δυνάμεις. Αυτές οι δυνάμεις θα είναι διαφόρων μεγεθών. Οι διακριτές διατομές του δομικού μέλους δεν θα κατανεμηθούν εξίσου σε ολόκληρο το μέλος. Αυτές οι δυνάμεις υποβάλλουν το δομικό υλικό σε διατμητική τάση. Με βάση τη θεωρία της μέγιστης διατμητικής τάσης, η μέγιστη διατμητική τάση που μπορεί να αντέξει ένα υλικό συγκεντρώνεται σε λίγες μόνο μικρές θέσεις του μέλους.

Τύπος μέγιστης διάτμησης

Ο τύπος της μέγιστης διατμητικής τάσης θα καθορίσει τη μέγιστη διατμητική τάση. Έτσι, για την αξιολόγηση της διατμητικής τάσης, το πρώτο βήμα είναι να ληφθεί ο τύπος της μέγιστης διατμητικής τάσης.

Αυτή η εξίσωση θα οδηγήσει στην έκφραση για τη μέγιστη διατμητική τάση. Για τον υπολογισμό μιας ορθογώνιας διατομής μιας δοκού απαιτούνται τα ακόλουθα στοιχεία:

h =Ύψος διατομής

b =Πλάτος ή πλάτος της διατομής

V =Διατμητική δύναμη στη διατομή

Q =A x Y =Πρώτη στιγμή του εμβαδού

A =Η περιοχή του τμήματος πάνω από το επιθυμητό επίπεδο

y =Απόσταση μεταξύ του κεντροειδούς και του ουδέτερου άξονα της περιοχής

I =Συνολική ροπή αδράνειας του τμήματος που σχετίζεται με το κέντρο

I (ορθογώνια τομή) =h x b 

Τύποι διατμητικής τάσης

Υπάρχουν διάφοροι τύποι διατμητικής τάσης. Κάθε τύπος διατμητικής τάσης εξηγεί τη δύναμη που ασκείται σε ένα υλικό ή αντικείμενο σε πολλαπλές κατευθύνσεις. Ακολουθούν μερικοί από τους τύπους διατμητικής τάσης που συζητούνται παρακάτω:  

Τάσεις εγκάρσιας διάτμησης

Ένα αντικείμενο υπόκειται σε εγκάρσια διάτμηση όταν εφαρμόζεται κάθετη τάση στη διαμήκη αξονική διεύθυνση του αντικειμένου. Σκεφτείτε έναν μακρύ πόλο που συνδέεται μόνο στο ένα άκρο. Εάν ασκηθεί δύναμη στο άκρο του πόλου όπου δεν έχει στήριγμα, η εγκάρσια διατμητική τάση θα επιβληθεί κάθετα στο μήκος του πόλου, επιτρέποντάς του να κάμπτεται στο άκρο όπου δεν είναι στερεωμένος. Επειδή μια δύναμη ασκείται σε μία μόνο κατεύθυνση, η εγκάρσια διατμητική τάση διαφέρει από τη στρεπτική διατμητική τάση.

Στρεπτική διατμητική τάση

Η στρεπτική διατμητική τάση προκύπτει από τη στρέψη, η οποία συμβαίνει όταν ασκούνται ίσες δυνάμεις σε ένα αντικείμενο σε αντίθετες κατευθύνσεις. Σκεφτείτε κάποιον να κυλάει ένα μολύβι ανάμεσα στις παλάμες του. Θα χρειαζόταν κάποιος να ασκήσει δύναμη με τη μία παλάμη να απομακρύνεται από το μολύβι από το σώμα του και με την άλλη παλάμη να σέρνει αυτό το μολύβι προς το σώμα του για να κυλήσει. Το μολύβι θα περιστραφεί λόγω αυτών των δυνάμεων αφού του προσδίδεται ροπή. Εάν ένα στοιχείο είναι συνδεδεμένο στο ένα άκρο, θα στρίψει αντί να κυλήσει.

Τάσεις διάτμησης δοκού

Η διατμητική τάση δοκού προκύπτει όταν μια δοκός υπόκειται σε δύναμη που δεν εφαρμόζεται σταθερά. Αυτή η διατμητική τάση είναι διαφορετική από άλλες επειδή μεταδίδεται σε μια δοκό και όχι σε άλλα αντικείμενα. Ο υπολογισμός έχει ως εξής:

τ μέσος =V / A

Πού:

τ =μέση διατμητική τάση κατά μέσο όρο στη διατομή

A =εμβαδόν διατομής

V =διατμητική τάση στη διατομή

Τάση διάτμησης τοίχου

Η πίεση που ασκεί ένα ρευστό σε έναν τοίχο είναι γνωστή ως διατμητική τάση τοιχώματος. Η διατμητική τάση τοιχώματος είναι μια έννοια που μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να περιγράψει την κυκλοφορία του αίματος στις φλέβες και τις αρτηρίες καθώς και τη ροή του υγρού στους αγωγούς. Η διατμητική τάση τοιχώματος μπορεί να μετρηθεί χρησιμοποιώντας είτε άμεσες είτε έμμεσες μεθόδους. Οι άμεσες τεχνικές περιλαμβάνουν προσεγγίσεις που βασίζονται σε φιλμ και αισθητήρες πλωτών στοιχείων, οι οποίοι ανιχνεύουν άμεσα τη διατμητική τάση του τοίχου. Σε αντίθεση με το να είναι μια άμεση μέτρηση, οι έμμεσες διαδικασίες συσχετίζουν τη διατμητική τάση με άλλα μεγέθη για να συναγάγουν τη διατμητική τάση.

Διατμητική πίεση στα υγρά

Η διατμητική τάση μπορεί επίσης να παρατηρηθεί σε υγρά. Η διατμητική τάση και το σημείο επαφής μεταξύ του ρευστού και του ορίου μπορούν να φανούν και τα δύο όταν ένα ρευστό κινείται εντός του ορίου των στερεών.

Το υγρό αποτελείται από πολλά επίπεδα που κινούνται με διάφορες ταχύτητες. Η ταχύτητα των στρωμάτων θα είναι η ίδια ανεξάρτητα από την απόστασή τους από το όριο. Η διατμητική τάση ευθύνεται κυρίως για αυτή τη μεταβλητή ταχύτητα μεταξύ των στρωμάτων.

Στη συνέχεια, το στρες και η καταπόνηση έχουν διάφορες σχέσεις στα υγρά. Με άλλα λόγια, καταλαβαίνουμε ότι η τάση διάτμησης εξαρτάται από τον ρυθμό παραμόρφωσης και είναι αναλογικά σταθερή ως προς το ιξώδες εδώ 

Μείωση του άγχους στον πραγματικό κόσμο

Από τη στιγμή που θα ξυπνήσετε και θα σηκωθείτε από το κρεβάτι μέχρι να ξανακοιμηθείτε. Σχεδόν όλες οι καθημερινές δραστηριότητες περιλαμβάνουν κάποιο επίπεδο διατμητικής τάσης. Ακολουθούν μερικά παραδείγματα παρόμοιων πραγματικών γεγονότων:

• Δραστηριότητες τεμαχισμού και κοπής (Κόψιμο λαχανικών, φρούτων, χαρτιού, ξύλου, ρούχων κ.λπ.)
• Βούρτσισμα, βαφή, εφαρμογή κρέμες, λοσιόν, σαπούνια κ.λπ.
• Μάσημα ή διάσπαση της τροφής σε μικρότερα κομμάτια από τα δόντια.
• Καθώς προχωράμε, είτε τρέχουμε είτε περπατάμε, τα πόδια μας σπρώχνουν το έδαφος προς τα πίσω.
• Δυστυχώς διατμητική τάση όταν ξεκινά ή σταματά ένα κινούμενο όχημα.
• Οι κοίτες των ποταμών καταπονούνται λόγω διάτμησης όταν ρέει νερό, προκαλώντας έτσι διάβρωση.

Συμπέρασμα

Διάτμηση σημαίνει «κόβω». Όταν μια δύναμη επιδρά στην επιφάνεια ενός σκληρού αντικειμένου (σε παράλληλη κατεύθυνση προς την επιφάνεια), η δύναμη θα διαχωρίσει το ένα τμήμα του αντικειμένου από το άλλο.

Ως αποτέλεσμα, παραμόρφωση του αντικειμένου, η οποία προκαλεί καταπόνηση (διάτμηση- η γωνιακή εκτροπή του αντικειμένου από την αρχική του θέση). Επιπλέον, η ακαμψία του αντικειμένου το καθιστά ανθεκτικό στην παραμόρφωση και ο τρίτος νόμος κίνησης του Νεύτωνα προβλέπει την εμφάνιση μιας δύναμης επαναφοράς κατά μήκος της επιφάνειας του αντικειμένου.

Η δύναμη επαναφοράς του αντικειμένου πιθανότατα θα λειτουργήσει ενάντια στο φαινόμενο διάτμησης της εφαρμοζόμενης δύναμης. Επομένως, η διατμητική τάση είναι απαραίτητη για το αποτέλεσμα της διατμητικής τάσης.

Συχνές ερωτήσεις

1. Ορισμός διατμητικής τάσης.

Απ. Η διατμητική τάση είναι ένας τύπος τάσης που δρα παράλληλα με τη διατομή του υλικού. Προκύπτει λόγω δυνάμεων διάτμησης. Είναι ο συνδυασμός δυνάμεων που ασκούν ίση αλλά αντίθετη πίεση στις δύο πλευρές ενός σώματος.

2. Εξηγήστε τη διαδικασία της διάτμησης με εικόνες.

Απ. Ακολουθούν ορισμένες απεικονίσεις διατμητικής τάσης:

• Το διατμητικό στρες παρουσιάζεται όταν μασάτε τροφή ανάμεσα στα δόντια σας.
• Όταν ένα όχημα με ταχύτητα ξεκινά ή σταματά, η επιφάνεια του καθίσματος υφίσταται διατμητική τάση.
• Ομοίως, τα πόδια σας πιέζουν το έδαφος προς τα πίσω όταν περπατάτε ή τρέχετε.

3. Τι διακρίνει την εφελκυστική τάση από τη διάτμηση;

Απ. Η διατμητική και η εφελκυστική τάση είναι δύο ξεχωριστοί τύποι τάσεων όπου η δύναμη προσδίδεται διαφορετικά σε ένα αντικείμενο. Όταν ασκείται μεγάλη δύναμη παραμόρφωσης σε μια επιφάνεια υπό γωνία, προκαλείται τάση εφελκυσμού. Από την άλλη πλευρά, η διατμητική τάση προκύπτει από μια δύναμη παραμόρφωσης που ασκείται παράλληλα στην επιφάνεια.