Intre zgarie-nori si panza de paianjen sunt foarte multe asemanari. Structura zgarie-norilor este executata din grinzi de otel, iar panza de paianjen dintr-un material si mai rezistent: fir de paianjen. Firul de paianjen poate sustine o greutate mai mare decat un fir de otel avand aceeasi grosime. Firul de paianjen avand o grosime de 0,007-0,008 mm nu se rupe sub o greutate de 4 g, ci se alungeste cu 22% din lungimea sa. Firul paianjenului cu cruce poate sustine de sase ori greutatea paianjenului.
Tensiunea
Daca de un cablu agatam o greutate, aceasta genereaza o forta cu directia in jos in toata sectiunea cablului. Catul intre forta si suprafata expusa acestei forte este denumit tensiune mecanica.
Daca greutatea este mai mare, atunci si forta de actionare este mai mare si ca atare va fi mai mare si tensiunea generata. Tensiunea va fi si mai mare in cazul in care greutatea initiala se agata de un fir cu o sectiune mai mica, deoarece forta in acest caz actioneaza pe o suprafata mai mica. Pentru a determina rezistenta pieselor este foarte important sa se cunoasca valoarea tensiunilor pe care o suporta diferitele materiale fara sa se rupa sau sa sufere modificari permanente.
Materialele pot fi expuse la trei tupuri de tensiuni: tensiunea de intindere alungeste materialul, tensiunea de compresiune comprima materialul, iar tensiunea de forfecare actioneaza perpendicular pe material, si il indoaie. Acest fenomen se poate observa daca cineva face sarituri in apa si se aseaza la capatul scandurii intinse deasupra apei: scandura elastica se indoaie puternic, dar chiar si scandura rigida se indoaie sub greutatea saritorului.
Alungirea
Alungirea este deformatia materialului proportionala cu marimea tensiunii de intindere. Sa presupunem de exemplu ca un cablu avand lungimea de 4000 cm sub actiunea unei greutati agatate de el se intinde 2 cm. Alungirea este de 2/4000=0,0005. In general se poate spune ca alungirea cablului este direct proportionala cu lungimea cablului si invers proportionala cu sectiunea acestuia.
Elasticitatea
Daca tensiunea aplicata materialului creste incepand de la valoarea zero, atunci la inceput alungirea lui creste proportional cu cresterea tensiunii. Aceasta inseamna ca in cazul in care se dubleaza greutatea agatata, se dubleaza si alungirea lui. Daca luam greutatile agatate, cablul revine la lungimea initiala. Acest punct se numeste limita de elasticitate a materialului. Marind tensiunea peste acest punct cablul va suferi o deformatie plastica si se va alungi in mod permanent. La fel se comporta materialele si la comprimare.
Daca marim sarcina in continuare, in final cablul se va rupe. Materialele maleabile, ca de exemplu cuprul, inaintea ruperii sufera o transformare (deformatie) plastica substantiala. In cazul materialelor rigide (casante), de exemplu la fonta, nimic nu indica apropierea de limita de rupere. Daca tensiunea este marita in mod continuu, piesa de fonta se rupe dintr-o data fara sa apara vreun semnal care sa indice ruperea iminenta.
Betonul
Materialele nu suporta la fel diferitele tensiuni. De exemplu betonul rezista foarte bine la compresiune, dar nu suporta tensiunile de intindere. Ca atare, rezistenta lui la tensiunile generate de vant, cutremure si la cele produse de vibratii este mica. De aceea, pentru marirea rezistentei la tractiune, betonul se consolideaza cu fibre de otel - acesta fiind betonul armat.
Betonul precomprimat este varianta imbunatatita a betonului armat. Aici fibrele de otel (otel beton) sunt intinse inaintea turnarii betonului. Dupa intarirea betonului se anuleaza forta de intindere a firelor, aceseta tinzand sa-si recapete lungimea initiala. Dar cand firele de otel sunt incastrate solid in beton nu mai pot sa se contracte. De aceea fibrele exercita o forta de compresiune asupra betonului.
Cand acest element de beton comprimat este solicitat de o forta de tractiune, aceasta trebuie sa invinga mai intai forta de compresiune generata de firele de otel. Aceasta este explicatia faptului ca betonul precomprimat rezista bine atat la tensiunile de intindere cat si la cele de compresiune.
Alte tipuri de betoane se intaresc prin postcomprimare. Se introduc armaturi metalice in canalele prevazute in blocurile de beton, iar dupa intarirea acestuia, armaturile se intind. Dupa terminarea operatiei de intindere armatura supune blocul de beton la o tensiune de compresiune foarte mare, conferindu-i o rezistenta mare si la intindere.
Materialele compozite
Materialele compozite sunt produse din doua sau mai multe materiale diferite, fara reactie chimica intre ele, si dintr-un punct de vedere au proprietati superioare componentelor luate separat. De cele mai multe ori, proprietatea imbunatatita la materialele compozite este rezistenta. Si betonul armat este un material compozit. Pe scara mai mica se folosesc fibre subtiri din materiale cu o rezistenta la tractiune foarte mare. Fibra de sticla - ca si firul de paianjen - are o rezistenta la tractiune mult mai mare decat firele de otel. Din pacate, la o solicitare mica de alta natura, de exemplula o zgarietura aplicata pe suprafata fibrei, aceasta se rupe imediat. De aceea, sunt inglobate in rasini epoxidice sau in poliesteri, in scopul de a se putea utiliza marea lor rezistanta la tractiune. Rasina ocroteste fibra de sticla de zgarieturi si astfel aceasta pastreaza o rezistenta mai mare.
Carbonul si ceramica
Dintre materialele din care se executa fibre cu rezistenta mare la tractiune amintim grafitul (o forma alotropica a carbunelui) si multe materiale ceramice tari si rigide, de exemplu carbura de siliciu, carbura de bor si oxidul de aluminiu cunoscute sub denumirea de alumina. Nu numai materialele artificiale pot fi compozite; lemnul de exemplu este un material compozit natural. Este format din fibre rezistente si elastice de celuloza legate intre ele de lignia care este mai dura si mai rigida si confera lemnului rigiditate.
Structura materialelor
Rezistenta materialului depinde de structura sa interna. Metalele solide au o structura cristalina, si o asemenea structura o au multe alte materiale solide: atomii, ionii, sau moleculele lor sunt ordonate in retele. Rezistenta lor depinde de constructia retelei, de modul de aranjare a particulelor si de modul de legatura existent intre aceste particule
Exista materialele solide care nu au o structura cristalina; de exemplu cauciucul, care este constituit din molecule in lant. In timpul procesului denumit vulcanizare, in masa de cauciuc se introduce sulf, care, ca o punte, leaga intre ele moleculele in lant, creand astfel o plasa spatiala. Aceste punti de sulf, denumite legaturi chimice transversale, confera cauciucului duritatea, rezistenta si elasticitatea necesara.
Dislocatiile
Cand metalele sunt solicitate in limita de elasticitate, atomii lor se distanteaza putin unul fata de celalalt: din aceasta cauza se intinde materialul. Daca tensiunea dispare, atomii se rearanjeaza in pozitiile avute initial, si metalul se contracta, ia forma initiala. La incarcare peste limita de elasticitate unele metale sufera o deformare permanenta, adica dupa disparitia incarcarii nu mai revin la forma lor initiala. In structura cristalina a acestor metale se gasesc foarte multe defecte ale retelei, denumite dislocatii, atomi lipsa sau atomi interstitiali. Dislocatiile se formeaza ori in timpul solidificarii, a cristalizarii metalului topit, ori in cazul in care in masa metalului apar tensiuni mecanice mari. Dislocatiile slabesc structura cristalina a metalului, si acesta se va deforma in urma unor tensiuni mai mici.
Tensiunile aplicate metalelor sub limita de elasticitate fac sa alunece intre ele straturile de atomi. Cu cat sunt mai multe dislocatii in masa metalului, cu atat se poate modela si remodela mai usor la forma dorita prin forjare, laminare sau trefilare.
Daca metalul se deformeaza, dislocatiile existente se vor misca pe limita straturilor de atomi ce gliseaza intre ele. Prin impiedicarea acestori deplasari metalele pot castiga in duritate si rezistenta.
Structuri cristaline
Miscarea dislocatiilor poate fi impiedicata in mai multe feluri. Dupa prima metoda, in procesul de fabricatie, solidificarea metalului trebuie astfel dirijata, incat masa metalului sa fie constituita din foarte multe cristale mici. Cu cat numarul cristalelor este mai mare cu atat este mai mare suprafata granitei intercristaline, si aceste granite impiedica miscarea dislocatiilor in masa metalului. In acest scop se pot utiliza atomii altor metale: din aceasta cauza sunt mai dure si mai rezistente aliajele decat elementele de aliere din care se compun.
Dupa o alta metoda metalul se expune unei tensiuni: pentru a creea in masa lui cat mai multe dislocatii, deoarece acestea in miscarea lor se vor contracara reciproc. Si metodele traditionale de prelucrare a metalelor au un efect asemanator; durificarea astfel obtinuta se numeste durificare prin prelucrare, sau ecruisiare. In materialele asemanatoare sticlei si cermaicii nu exista dislocatii mobile, acestea spargandu-se foarte usor la o tensiune ce depaseste limita elasticitatii specifice.
Oboseala materialelor
Acest defect apare in cazul in care o componenta metalica este expusa unei saricini de lunga durata. Dislocatiile se vor misca catre regiunea tensionata a piesei si se contracareaza reciproc in miscarea lor. Din aceasta cauza materialul devine mai rigid si vor aparea crapaturi care se vor extinde pe sectiunea totala a piesei respective si in final aceasta se va rupe. Pentru evitarea accidentelor, piesele componente ale avioanelor sunt verificate periodic, urmarindu-se daca materialul lor este obosit.
Aceste patru bare de aceleasi dimensiuni s-au executat din materiale diferite, si ele trebuie incarcate cu sarcini diferite pentru a avea aceasi deformatie.
Niciun comentariu:
Trimiteți un comentariu