Độ Co Giãn Là Gì?
Trong vật lý và khoa học vật liệu, tính đàn hồi là khả năng của một cơ thể chống lại một tác động làm biến dạng và trở lại kích thước và hình dạng ban đầu khi ảnh hưởng hoặc lực đó bị loại bỏ. Các vật rắn sẽ biến dạng khi có tải trọng thích hợp tác dụng lên chúng; nếu vật liệu đàn hồi, vật thể sẽ trở lại hình dạng và kích thước ban đầu sau khi lấy ra. Điều này trái ngược với tính dẻo, trong đó vật thể không làm được điều đó và thay vào đó vẫn ở trạng thái biến dạng.
Các lý do vật lý cho hành vi đàn hồi có thể khá khác nhau đối với các vật liệu khác nhau. Trong kim loại , mạng tinh thể nguyên tử thay đổi kích thước và hình dạng khi có lực tác dụng ( năng lượng được thêm vào hệ). Khi các lực bị loại bỏ, mạng tinh thể trở lại trạng thái năng lượng thấp hơn ban đầu. Đối với cao su và các loại polyme khác, tính đàn hồi được gây ra bởi sự kéo căng của các chuỗi polyme khi có lực tác dụng.
Định luật Hooke phát biểu rằng lực cần thiết để làm biến dạng các vật đàn hồi phải tỷ lệ thuận với khoảng cách biến dạng, bất kể khoảng cách đó lớn đến mức nào. Đây được gọi là độ đàn hồi hoàn hảo, trong đó một vật thể nhất định sẽ trở lại hình dạng ban đầu cho dù nó bị biến dạng mạnh đến mức nào.
Đây chỉ là một khái niệm lý tưởng; hầu hết các vật liệu có tính đàn hồi trong thực tế vẫn hoàn toàn chỉ có tính đàn hồi cho đến những biến dạng rất nhỏ, sau đó xảy ra biến dạng dẻo (vĩnh viễn).
Trong kỹ thuật, độ đàn hồi của vật liệu được định lượng bằng môđun đàn hồi như môđun Young, môđun số lượng lớn, hoặc môđun cắt đo lượng ứng suất cần thiết để đạt được một đơn vị biến dạng; mô đun cao hơn chứng tỏ rằng vật liệu khó bị biến dạng hơn.
Đơn vị SI của môđun này là pascal (Pa). Giới hạn đàn hồi hoặc độ bền chảy của vật liệu là ứng suất lớn nhất có thể phát sinh trước khi bắt đầu biến dạng dẻo. Đơn vị SI của nó cũng là pascal (Pa).
Ví dụ: Dây cao su và các vật liệu đàn hồi và co giãn khác thể hiện tính đàn hồi. Mặt khác, đất nặn tương đối kém đàn hồi và vẫn giữ được hình dạng mới ngay cả sau khi không còn tác dụng lực khiến nó thay đổi.
Tính Đàn Hồi Hoạt Động Như Thế Nào?
Tính đàn hồi là khả năng của vật liệu bị biến dạng trở lại hình dạng và kích thước ban đầu khi lực gây ra biến dạng bị loại bỏ. Một cơ thể có khả năng này được cho là hành xử (hoặc phản ứng) một cách đàn hồi.
Ở mức độ lớn hơn hoặc nhỏ hơn, hầu hết các vật liệu rắn đều thể hiện tính đàn hồi, nhưng có giới hạn về độ lớn của lực và biến dạng kèm theo trong đó có thể phục hồi đàn hồi đối với bất kỳ vật liệu nhất định nào.
Giới hạn này, được gọi là giới hạn đàn hồi, là ứng suất hoặc lực lớn nhất trên một đơn vị diện tích bên trong vật liệu rắn có thể xuất hiện trước khi bắt đầu biến dạng vĩnh viễn. Ứng suất vượt quá giới hạn đàn hồi gây ra hiện tượng chảy hoặc chảy vật liệu.
Đối với những vật liệu như vậy, giới hạn đàn hồi đánh dấu sự kết thúc của ứng xử đàn hồi và sự bắt đầu của ứng xử dẻo. Đối với hầu hết các vật liệu giòn, ứng suất vượt quá giới hạn đàn hồi dẫn đến đứt gãy mà hầu như không có biến dạng dẻo.
Giới hạn đàn hồi phụ thuộc rõ rệt vào loại vật rắn được xem xét; ví dụ, một thanh thép hoặc dây có thể được kéo dài đàn hồi chỉ khoảng 1 phần trăm chiều dài ban đầu của nó, trong khi đối với các dải vật liệu giống như cao su nhất định, có thể đạt được độ giãn đàn hồi lên đến 1.000 phần trăm.
Tuy nhiên, thép cứng hơn nhiều so với cao su, vì lực kéo cần thiết để ảnh hưởng đến độ giãn đàn hồi tối đa của cao su nhỏ hơn (bằng hệ số khoảng 0,01) so với lực cần thiết đối với thép. Tính chất đàn hồi của nhiều chất rắn trong lực căng nằm giữa hai cực này.
Các đặc tính đàn hồi vĩ mô khác nhau của thép và cao su là kết quả của các cấu trúc vi mô rất khác nhau của chúng. Tính đàn hồi của thép và các kim loại khác phát sinh từ các lực liên nguyên tử trong phạm vi ngắn, khi vật liệu không bị nén, sẽ duy trì các nguyên tử ở dạng đều đặn.
Dưới ứng suất, liên kết nguyên tử có thể bị phá vỡ ở những biến dạng khá nhỏ. Ngược lại, ở cấp độ vi mô, các vật liệu giống như cao su và các polyme khác bao gồm các phân tử chuỗi dài có thể bung ra khi vật liệu được kéo dài và co lại khi phục hồi đàn hồi.
Lý thuyết toán học về độ đàn hồi và ứng dụng của nó trong cơ học kỹ thuật liên quan đến phản ứng vĩ mô của vật liệu chứ không phải cơ chế cơ bản gây ra nó.
Trong một thử nghiệm lực căng đơn giản, phản ứng đàn hồi của các vật liệu như thép và xương được biểu thị bằng mối quan hệ tuyến tính giữa ứng suất kéo (lực căng hoặc lực kéo căng trên một đơn vị diện tích mặt cắt ngang của vật liệu), σ và tỷ số kéo dài ( hiệu giữa độ dài mở rộng và độ dài ban đầu chia cho độ dài ban đầu), e.
Nói cách khác, σ tỷ lệ thuận với e; điều này được biểu thị σ = Ee, trong đó E, hằng số tỷ lệ, được gọi là môđun Young. Giá trị của E phụ thuộc vào vật liệu; tỷ lệ giá trị của nó đối với thép và cao su là khoảng 100.000. Phương trình σ = Ee được gọi là định luật Hooke và là một ví dụ về định luật cấu thành.
Ai Là Người Phát Hiện Ra Tính Đàn Hồi?
Chà, chúng ta luôn biết rằng một số vật liệu mềm dẻo hơn những vật liệu khác và chúng hoạt động theo những cách khác nhau khi chịu các loại lực khác nhau, nhưng nhân vật quan trọng cần nhớ khi nói đến độ đàn hồi là Robert Hooke. Hooke là người cùng thời với Isaac Newton, và ông là người đầu tiên định lượng và phân tích đúng cách hoạt động của độ đàn hồi.
Năm 1660, Hooke khám phá ra Định luật co giãn, được gọi là Định luật Hooke thông qua thí nghiệm kéo dài với lò xo. Tiền đề cơ bản của định luật là đối với những biến dạng tương đối nhỏ của một vật thể (ví dụ bằng cách kéo căng hoặc uốn cong chúng), chuyển vị hoặc kích thước của biến dạng tỷ lệ thuận với lực hoặc tải trọng làm biến dạng. Trong các điều kiện này, vật thể trở lại hình dạng và kích thước ban đầu khi loại bỏ tải trọng.
Hành vi đàn hồi của chất rắn theo định luật Hooke có thể được giải thích bởi ứng xử mà chúng ta đã đề cập trước đó. Vật liệu có tính đàn hồi nếu các phần tử tạo nên chúng có thể chuyển động bên trong vật liệu khi chúng chịu tác động của ngoại lực và Định luật Hooke phát biểu rằng chuyển động này tỷ lệ thuận với lực tác dụng.
Đó không phải là một định luật hoàn hảo – đối với lượng lực lớn hơn, giới hạn đàn hồi thường bị vượt qua, có nghĩa là lực tạo ra nhiều biến dạng hơn là tỷ lệ thuận, nhưng khi bạn bắt đầu khám phá chủ đề này, Định luật Hooke là quan trọng nhất để biết!
Tại Sao Độ Đàn Hồi Lại Hữu Ích?
Tính đàn hồi là một đặc tính quan trọng để hiểu bất cứ khi nào bạn cần làm một thứ gì đó – suy cho cùng, chẳng ích gì khi xây dựng một tòa nhà cứng đến mức nó sẽ bị vỡ trong một cơn bão, hoặc trong việc chế tạo một chiếc thước cong đến mức bạn không thể sử dụng nó để đo lường bất cứ điều gì!
Do đó, việc làm quen với giới hạn đàn hồi của vật liệu là cực kỳ hữu ích cho hầu hết mọi nhiệm vụ đòi hỏi phải làm hoặc sửa chữa một vật thể, cho dù nó nhỏ như một cái thìa hay lớn như một tòa nhà chọc trời – và nó đặc biệt quan trọng đối với những thứ như các hình thức giao thông và các tòa nhà.
Chúng ta cần có thể dựa vào những điều này để duy trì sự mạnh mẽ và không bị phá vỡ ngay cả khi chúng phải chịu một lượng lớn sức căng, có thể đến từ nhiều nguồn khác nhau. Tính đàn hồi có thể đóng một vai trò quan trọng trong việc làm cho những thứ này có khả năng bị hư hỏng do thời tiết tốt hơn, vì vậy, đây là một lĩnh vực nghiên cứu quan trọng đối với các kỹ sư, đặc biệt!
