ความเค้นและความเครียดของของแข็ง มีความสำคัญต่อการออกแบบโครงสร้าง วัสดุ และอุปกรณ์ต่างๆ ที่ต้องรับแรงกระทำต่างๆ
ความเค้น (Stress) คือ แรงที่กระทำต่อหน่วยพื้นที่ของวัสดุ
1 | σ = F / A |
โดยที่
- σ คือ ความเค้น (Pa)
- F คือ แรง (N)
- A คือ พื้นที่หน้าตัด (m²)
ความเครียด (Strain) คือ การเปลี่ยนแปลงความยาวของวัสดุต่อความยาวเริ่มต้นของวัสดุ
1 | ε = ΔL / L |
โดยที่
- ε คือ ความเครียด (หน่วยไม่มีมิติ)
- ΔL คือ การเปลี่ยนแปลงความยาว (m)
- L คือ ความยาวเริ่มต้น (m)
ความสัมพันธ์ระหว่างความเค้นและความเครียด
ความเค้นและความเครียดมีความสัมพันธ์กัน โดยความเค้นเป็นสาเหตุของความเครียด
ประเภทของความเค้น
ความเค้นสามารถแบ่งออกเป็น 3 ประเภทหลักๆ ตามทิศของแรงกระทำ ดังนี้
- ความเค้นตามแนวแกน (Normal stress) คือ ความเค้นที่เกิดขึ้นในแนวเดียวกับแรงกระทำ
- ความเค้นเฉือน (Shear stress) คือ ความเค้นที่เกิดขึ้นในแนวตั้งฉากกับแรงกระทำ
- ความเค้นบิด (Torsion stress) คือ ความเค้นที่เกิดขึ้นในแนวเฉือนต่อเนื่อง
ผลกระทบของความเค้น
ความเค้นอาจส่งผลต่อของแข็งได้ 3 ประการ ดังนี้
- การเสียรูป (Deformation) คือ การเปลี่ยนแปลงรูปร่างหรือขนาดของของแข็ง
- การแตกหัก (Fracture) คือ การที่ของแข็งแยกออกเป็นชิ้นๆ
- การไหล (Flow) คือ การที่ของแข็งเกิดการเสียรูปถาวร
การประยุกต์ใช้ความเค้นและความเครียด
ความเค้นและความเครียดถูกนำมาประยุกต์ใช้ในด้านต่างๆ มากมาย เช่น
- การออกแบบโครงสร้าง โครงสร้างต่างๆ เช่น สะพาน อาคาร รถยนต์ ฯลฯ จะต้องออกแบบให้สามารถรับแรงกระทำต่างๆ ได้โดยไม่เกิดการเสียหาย
- การผลิตวัสดุ วัสดุต่างๆ เช่น ยาง พลาสติก โลหะ ฯลฯ จะต้องผลิตให้มีความแข็งแรงทนทานเหมาะสมกับการใช้งาน
- เครื่องมือและอุปกรณ์ เครื่องมือและอุปกรณ์ต่างๆ เช่น สายพาน สปริง ฯลฯ จะต้องมีความแข็งแรงเหมาะสมกับการใช้งาน
สรุป
ความเค้นและความเครียดเป็นสมบัติที่สำคัญของของแข็ง ช่วยให้เราสามารถเข้าใจและอธิบายผลกระทบของแรงกระทำต่อของแข็งได้ ความเค้นและความเครียดถูกนำมาประยุกต์ใช้ในด้านต่างๆ มากมาย เพื่อให้โครงสร้าง วัสดุ และอุปกรณ์ต่างๆ มีประสิทธิภาพและปลอดภัย
ตัวอย่าง
- เมื่อเราดึงยางยืด ยางยืดจะเกิดความเค้นตามแนวแกน ส่งผลให้ยางยืดเกิดการยืดยาว
- เมื่อเราบิดเชือก เชือกจะเกิดความเค้นบิด ส่งผลให้เชือกเกิดการบิดเบี้ยว
- เมื่อเรากระแทกวัตถุ วัตถุจะเกิดความเค้นตามแนวแกน ส่งผลให้วัตถุเกิดการแตกหัก
คำถาม
- ความเค้นคืออะไร
- ความเครียดคืออะไร
- ความสัมพันธ์ระหว่างความเค้นและความเครียดเป็นอย่างไร
- ประเภทของความเค้นมีอะไรบ้าง
- ผลกระทบของความเค้นมีอะไรบ้าง
- การประยุกต์ใช้ความเค้นและความเครียดมีอะไรบ้าง