Παραμόρφωση (μηχανική)

Ο γκρι κύλινδρος του σχήματος (μέσο) μπορεί είτε να συμπιεστεί (αριστερά είτε να εφελκυσθεί (τραβηχτεί-δεξιά). Και στις δυο περιπτώσεις προκαλείται παραμόρφωση στο σχήμα του. Σε αυτό το παράδειγμα, η παραμόρφωση προκαλείται σε τρεις διαστάσεις, αν και η δύναμη που την προκαλεί ασκείται σε μια (κατά τον άξονα του κυλίνδρου).

Η παραμόρφωση είναι σε γενικές γραμμές η αλλαγή του σχήματος ή του μεγέθους ενός σώματος έπειτα από την ασκήση κάποιας δύναμης πάνω στο σώμα. Παραμόρφωση μπορεί να προκληθεί επίσης από μεταβολή της θερμοκρασίας του σώματος κατά τις διαδικασίες της συστολής ή διαστολής.

Η έννοια της παραμόρφωσης χρησιμοποιείται πολύ συχνά στη φυσική, στην εφαρμοσμένη μηχανική, στη δομική, την επιστήμη υλικών κ.α. Η μελέτη της ενδιαφέρει κάθε εφαρμογή όπου είναι σημαντική η στατικότητα, η στερεότητα και οι δομικές αστοχίες μιας κατασκευής ή ενός σώματος.

Είδη παραμόρφωσης

Αδρά μπορούν να διακριθούν δυο είδη παραμόρφωσης:

• Ελαστική παραμόρφωση, που δεν είναι μόνιμη, δηλαδή το σώμα επανέρχεται στο αρχικό του σχήμα (από τον ίδιο δρόμο και ακαριαία) όταν πάψει να ενεργεί η δύναμη που προκάλεσε την παραμόρφωση. Παράδειγμα ελαστικής παραμόρφωσης είναι αυτή ενός ελατηρίου, που επανέρχεται στο αρχικό του μήκος μόλις πάψει να του ασκείται δύναμη. Τα πραγματικά σώματα έχουν ένα όριο στο πόσο μπορούν να παραμορφωθούν ελαστικά και εξαρτάται από το σχήμα, το υλικό και τη θερμοκρασία τους. Η ελαστική παραμόρφωση περιγράφεται μαθηματικά από τον νόμο του Hooke σύμφωνα με τον οποίο η παραμόρφωση είναι ανάλογη της δύναμης που ασκείται.

$\sigma =E\varepsilon$

Όπου $\sigma$ είναι η δύναμη ανά μονάδα επιφάνειας ή αλλιώς τάση, Ε το μέτρο ελαστικότητας του υλικού και $\varepsilon$ είναι η αναλογία του παραμορφωμένου μήκους προς το αρχικό ή ανηγμένη παραμόρφωση.

• Πλαστική παραμόρφωση που είναι μόνιμη, δηλαδή το σώμα δεν επανέρχεται στο αρχικό του σχήμα. Παράδειγμα μπορεί να είναι ένα κομμάτι πλαστελίνης το οποίο χτυπάμε με το χέρι μας πάνω σε ένα τραπέζι, ή το ελατήριο του πιο πάνω παραδείγματος όταν του ασκηθεί υπερβολική δύναμη εφελκυσμού και ανοίξει. Υπάρχει ένα όριο στην πλαστική παραμόρφωση μέχρι το σώμα να σπάσει (όριο θραύσης).

Στάδια παραμόρφωσης

Καμπύλη τάσης (σ) - παραμόρφωσης (ε). Με πράσινο διακρίνεται η ελαστική περιοχή, με κίτρινο η πλαστική και το κόκκινο σημείο δείχνει το όριο θραύσης.

Σε ένα σώμα που ασκείται μία συνεχώς αυξανόμενη δύναμη, αρχικά εμφανίζεται ελαστική παραμόρφωση. Όταν ξεπεραστεί το λεγόμενο όριο ελαστικότητας το σώμα χάνει την ικανότητα να επανέρχεται πλήρως στο αρχικό του σχήμα. Αν αφεθεί ελεύθερο θα επανέλθει μόνο το μέρος που αντιστοιχεί στην ελαστική παραμόρφωση και η παραμόρφωση που δεν επανέρχεται ονομάζεται παραμένουσα ή πλαστική παραμόρφωση. Αν η δύναμη συνεχίσει να αυξάνεται, το σώμα θα φτάσει στο όριο θραύσης του και θα σπάσει.

Τα παραπάνω στάδια δεν εμφανίζονται σε όλα τα υλικά. Για παράδειγμα η πλαστελίνη δεν εμφανίζει ελαστικές παραμορφώσεις για αυτό και κρατάει στο σχήμα που της δίνουμε. Στο γυαλί δεν υπάρχουν μόνιμες παραμορφώσεις πριν τη θραύση για αυτό και ταιριάζουν απόλυτα τα κομμάτια από ένα σπασμένο τζάμι. Τα υλικά που έχουν μεγάλες πλαστικές παραμορφώσεις πριν σπάσουν λέγονται όλκιμα (π.χ. χάλυβας, αλουμίνιο κ.α.) ενώ τα υλικά που έχουν πολύ μικρές ή και καθόλου πλαστικές παραμορφώσεις λέγονται ψαθυρά (π.χ. μάρμαρο, γυαλί, κιμωλία, χυτοσίδηρος κ.α.).

Πηγές

• Ι.Ν. Πρασιανάκης, Σ.Κ. Κουρκούλης, Πειραματική αντοχή των υλικών, Αθήνα 1999, Εκδόσεις Συμμετρία

Εξωτερικοί σύνδεσμοι

• Πολυμέσα σχετικά με το θέμα Deformation στο Wikimedia Commons