Ce este modulul de forfecare? Definiție și exemple

modul de forfecare este definit ca raportul dintre efortul de forfecare și tulpina de forfecare. Este, de asemenea, cunoscut sub numele de modul de rigiditate și poate fi notat prin G sau mai puțin frecvent de S sau μ. Unitatea SI a foarfece modulul este Pascal (Pa), dar valorile sunt de obicei exprimate în gigapascali (GPa). În unitățile engleze, modulul de forfecare este dat în termeni de kilograme pe inch (PSI) sau kilo (mii) lire pe pătrat în (ksi).

• O valoare mare a modulului de forfecare indică a solid este foarte rigid. Cu alte cuvinte, este necesară o forță mare pentru a produce deformare.
• O valoare mică a modulului de forfecare indică faptul că un solid este moale sau flexibil. Este nevoie de puțină forță pentru a o deforma.
• O definiție a unui fluid este o substanță cu un modul de forfecare de zero. Orice forță își deformează suprafața.

Modulul de forfecare este determinat prin măsurarea deformării unui solid din aplicarea unei forțe paralele cu o suprafață a unui solid, în timp ce o forță opusă acționează pe suprafața sa opusă și ține solidul la locul său. Gândiți-vă la forfecare ca apăsând pe o parte a unui bloc, cu frecarea ca forță opusă. Un alt exemplu ar fi încercarea de a tăia sârmă sau părul cu foarfece plictisitoare.

Ecuația pentru modulul de forfecare este:

G = τ_{X y} / γ_{X y} = F / A / Δx / l = Fl / AΔx

Unde:

• G este modulul de forfecare sau modulul de rigiditate
• τ_{X y} este stresul de forfecare
• γ_{X y} este tulpina de forfecare
• A este zona asupra căreia acționează forța
• Δx este deplasarea transversală
• este lungimea inițială

Tulpina de forfecare este Δx / l = bronzată θ sau uneori = θ, unde θ este unghiul format prin deformarea produsă de forța aplicată.

De exemplu, găsiți modulul de forfecare al unei probe sub o tensiune de 4x10⁴N/ m² se confruntă cu o tulpină de 5x10^-2.

G = τ / γ = (4x10)⁴ N / m²) / (5x10^-2) = 8x10⁵ N / m² sau 8x10⁵ Pa = 800 KPa

Unele materiale sunt izotrope în ceea ce privește forfecarea, ceea ce înseamnă că deformarea ca răspuns la o forță este aceeași indiferent de orientare. Alte materiale sunt anizotrope și răspund diferit la stres sau la încordare, în funcție de orientare. Materialele anizotrope sunt mult mai susceptibile la forfecare de-a lungul unei axe decât alta. De exemplu, luați în considerare comportamentul unui bloc de lemn și modul în care acesta ar putea răspunde la o forță aplicată paralel cu boabele de lemn în comparație cu răspunsul său la o forță aplicată perpendicular pe bob. Luați în considerare modul în care un diamant răspunde unei forțe aplicate. Cât de ușor de foarfecele de cristal depinde de orientarea forței în raport cu rețeaua de cristal.

După cum vă așteptați, răspunsul unui material la o forță aplicată se schimbă cu temperatura și presiunea. În metale, modulul de forfecare scade de obicei odată cu creșterea temperaturii. Rigiditatea scade odată cu creșterea presiunii. Trei modele utilizate pentru a prezice efectele temperaturii și presiunii asupra modulului de forfecare sunt efortul mecanic de prag (MTS) modelul de tensiune în flux de plastic, modelul modulului de forfecare Nadal și LePoac (NP) și modulul de forfecare Steinberg-Cochran-Guinan (SCG) model. Pentru metale, există o regiune de temperatură și presiuni peste care modificarea modulului de forfecare este liniară. În afara acestui interval, comportamentul de modelare este mai dificil.

Acesta este un tabel cu valorile modulului de forfecare a eșantionului la temperatura camerei. Materialele moi și flexibile tind să aibă valori mici ale modulului de forfecare. Pământurile alcaline și metalele de bază au valori intermediare. Metalele și aliajele de tranziție au valori mari. Diamant, o substanță dură și rigidă, are un modul de forfecare extrem de ridicat.

Rețineți că valorile pentru Modulul lui Young urmează o tendință similară. Modulul Young este o măsură a rigidității sau rezistenței liniare la deformare a unui solid. Modulul forfecării, modulul lui Young și modul de masă sunt modulii de elasticitate, toate bazate pe legea lui Hooke și conectate între ele prin ecuații.

• Crandall, Dahl, Lardner (1959). O introducere în mecanica solidelor. Boston: McGraw-Hill. ISBN 0-07-013441-3.
• Guinan, M; Steinberg, D (1974). "Derivați de presiune și temperatură ai modulului de forfecare izotrope policristaline pentru 65 de elemente". Revista de fizică și chimie a solidelor. 35 (11): 1501. doi:10.1016 / S0022-3697 (74) 80278-7
• Landau L.D., Pitaevskii, L.P., Kosevich, A. M., Lifshitz E. M. (1970). Teoria Elasticității, vol. 7. (Fizica teoretica). Ediția a III-a. Pergamon: Oxford. ISBN: 978-0750626330
• Varshni, Y. (1981). „Dependența de temperatură a constantelor elastice”. Revizuirea fizică B. 2 (10): 3952.