قانون قوة الشد في الحبل
تعريف قانون قوة الشد في الحبل
اختبار الشد هو طريقة لقياس استجابة الجسم عند تعرضه لقوة في حالة الاستطالة. يمكن إجراء هذا الاختبار لتقييم قوة الروابط بين مكونات متعددة أو للتحقق من خصائص قوة المادة. على سبيل المثال، يمكن أن يستخدم اختبار الشد لقياس قوة تحمل هواء هيكل السيارة التحكم عن بعد للأطفال، وبشكل أساسي، يمكن استخدامه لتحديد خصائص الشد للمادة التي تستخدم في صناعة اللعبة مثل لعبة شد الحبل
في القرن السابع عشر، أشار الفيزيائي البريطاني روبرت هوك إلى أن المواد تحت التوتر تتصرف وفقًا لقوة الامتداد، وأن هناك علاقة خطية بين الامتداد والقوة المطبقة، وقد تم تطبيق هذا في الأصل على الزنبركات، ولكن يمكن تطبيقه أيضا على المواد الأكثر مرونة.
نص قانون قوة الشد في الحبل
عند وضع مادة تحت التوتر، تتناسب القوة المطبقة (الإجهاد) مع المقدار الذي تتشوه به المادة (الإجهاد)، بشرط عدم تجاوز حد المرونة، ويتم تعريف هذه الملاحظة بواسطة قانون هوك
- F = -kx
- حيث F هي القوة التصالحية، و x هي الإزاحة، و k هي القوة الثابتة (أو الزنبرك)، ويمكن استخدام طريقة أخرى،
- E = الإجهاد / الإجهاد
- الإجهاد هو القوة المطبّقة على العينة، والسلالة هي الاستطالة النسبيّة للعينة من طولها الأصلي.
يعرف الرمز “E” بمعامل يونغ، ويتم تمثيله بتدرج منحنى الإجهاد داخل المنطقة الخطية الأولية. هذه القيمة ذات فائدة كبيرة لتعريفها، حيث تعطي مؤشرا واضحا عن مدى تشوه المادة تحت حملة الشد المطبقة. على سبيل المثال، يجب أن يتمتع حبل البنجي بمعامل يونغ منخفض بدرجة كافية لضمان قدرته على تحقيق قفزة طويلة ومثيرة دون تمزق الحبل عند رفع الركود، في حين يجب أن يكون معامل يونغ مرتفعا بما يكفي لضمان أن يكون الحبل صلبا بدرجة كافية ليمكنه تحمل الوزن عند رفعه إلى الأعلى
كيف يتم إجراء اختبار الشد
تقدم المعلومات التالية نظرة شاملة عن العوامل الرئيسية التي يجب مراعاتها عند إجراء أي اختبار للشد، ومن الواضح أن كل اختبار له خصائصه الفريدة، ومنهجية الاختبار المحددة ستختلف بشكل كبير بين المواد.
إعداد عينة
- يجب تحضير شرائط العينات بالطول والعرض المناسبين والسمك المتساوي لاختبار المواد.
- فيما يتعلق باختبار المواد، يتم تحديد حجم وشكل العينات وفقًا للمعايير المناسبة، ويمكن شراء العينات المقطوعة مسبقًا، أو شراء قالب القطع.
- يجب تحضير المكونات مسبقًا بطريقة تجعلها سهلة التكيف في الاتجاه الصحيح.
اختيار القبضة
- يجب اختيار مقابض مناسبة تسمح بممارسة ضغط موحد على طول العرض الكامل لقطعة الاختبار.
- لتحقيق ذلك، يتعين توخي الحذر للتأكد من توافق تجهيزات عينة الاختبار والإمساك بدقة مع محور الإجهاد.
- تقدم Mecmesin مجموعة شاملة من المقابض والملحقات المتعددة الاستخدامات، وتتضمن مجموعة متنوعة من إجراءات التثبيت، بما في ذلك المقابض التي تغلق تلقائيًا بزيادة التوتر مثل إسفين أو القبضة الهوائية، والمقابض التي تُغلق يدويًا قبل بدء الاختبار مثل قبضة النائب .
- يمكن لاختيار المرفقات العالية الجودة المناسبة أن يقلل من مخاطر انزلاق العينة أو الفشل المبكر في وجه الفك.
- تقدم Mecmesin مجموعةً من المثبتات المصممة لاستيعاب مجموعةٍ متنوعةٍ من العينات من الأشكال غير المناسبة، وذلك لتحقيق قوةٍ في تفكيك المفصل.
اختبار
- يجب تطبيق الحمل بمعدل نقل موحد حتى يتم تحديد المعلمة المطلوبة، مثل قوة الشد عند الكسر أو الاستطالة الكلية للمادة بقوة محددة وما إلى ذلك.
- يجب أن تكون سرعة التقاطع بطيئة بما فيه الكفاية لالتقاط صورة كاملة للمادة ولكنها سريعة بما يكفي لإكمال العدد المطلوب من اختبارات التكرار في إطار زمني معقول.
- تضمن مجموعة Mecmesin الشاملة من إطارات الاختبار الإلكترونية شبه الأوتوماتيكية المؤتمتة بالكامل تطبيق القوة بدقة، وعند دمجها مع إلكترونيات عالية معدل الالتقاط، تضمن تسجيل ملف الشد للمادة بدقة.
- عند اختبار استطالة مادة قابلة للتمدد، يجب التأكد من استخدام إطار اختبار بمسافة سفر كافية للتأثير على المسافة المطلوبة للاستطالة، مثل MultiTest 5-x أو MultiTest 5-i، أو Mecmesin إذا لزم الأمر والذي يعد أكبر إطار اختبار وعمود مزدوج.
- يجب إجراء اختبار متكرر مناسب للالتزام بالمعايير ذات الصلة أو الإجراءات الداخلية، وذلك لضمان الأهمية الإحصائية للنتائج والاتجاهات المرصودة.
النتائج
- توفر آلات اختبار Mecmesin درجات مختلفة من التطور، بدءًا من مقاعد الاختبار البسيطة ومجموعات المقاييس إلى الأنظمة المؤتمتة بالكامل.
قوة الشد مقابل قوة العائد
- يستخدم المهندسون الخاصية الحيوية للمواد عند تصميم المنتجات، حيث يضمنون بقاء الحمل داخل هذه المنطقة لضمان سلامة المنتج وعدم فشله.
- وهذا يعني أن الحمل الأقصى يجب أن يظل أدنى من حد الاستسلام في جميع الأحيان، مثل قوة المقاومة في علم الفيزياء
- الطريقة الشائعة لتحديد الحد الأقصى للحمل هي تحديده أولاً.
- باعتبار خصائص المادة المختارة، تعطي الحسابات الإجابة للمنطقة العرضية اللازمة.
- تلعب الهندسة دورا هاما في كيفية تحمل الأحمال العالية.
- – “تم اتخاذ إجراء احترازي إضافي بإضافة عامل أمان.
- عادةً ما يكون عامل الأمان في مكان ما بين 1.5 و 2، وأسهل طريقة لاستخدامه هي ضرب أقصى قيمة للحمل في المكان بالعامل.
- ضمان إضافة عامل الأمان يعني أن الأحمال غير المتوقعة وعيوب المواد لن تؤدي إلى كسر الأجزاء.
- يعني التصميم لأقصى قوة شد أن جزء جسمك سيتشوه بشكل دائم عند تعرضه للحمل المصمم من أجله.
- قد يتغير تركيب المادة البلورية وقد تفقد خاصية مهمة.
- هذا يعني أن المنتج لم يعد له نفس الخصائص التي ربما دفعتك لاختياره في البداية.
تتم تقوية بعض الأدوات مثل السكاكين والمفاتيح عن طريق الضغط عليها، مما يجعلها أقوى وأقرب إلى قوة الشد النهائية، وقد يتطلب كسرها بذلك مزيدًا من الجهد.
مفهوم اختبار الشد
يتم قياس مقاومة الشد بقياس الانتفاخ في عينة على آلة اختبار الشد العالمية الشهيرة UTM. يتم تثبيت العينة بشكل متقابل عن طريق المشابك، حيث يتم إبقاء طرف واحد ثابتاً ويتم سحب الطرف الآخر بشدة متزايدة مع مراقبة القوة المستخدمة فيالوقت الحقيقي.
تزداد القوة تدريجيًا حتى تصل إلى نقطة الانكسار، وتبقى بيانات اختبار الشد ثابتة طوال العملية.
تتميز آلة اختبار الشد هذه بميزات مثل التحكم الآلي المؤازر (الكهروهيدروليكي)، وجمع البيانات، والقياس التلقائي، وعرض النتائج على الشاشة، وحساب نتيجة الاختبار.
يتم تقسيم القوة القصوى المطبقة على منطقة المقطع العرضي للحصول على أقصى قوة شد تعرضت لها المادة. ويعد هذا الضغط الأقصى هو قيمة أقصى قوة شد.
وحدة النظام الدولي لقوة الشد القصوى هي نيوتن/متر مربع أو باسكال، وتعبر الأرقام الكبيرة بوحدة ميغاباسكال.