Napetost (mehanika kontinuuma): definicija, enote in enačba σ = F/A
Napetost v mehaniki kontinuuma: jasna definicija, enote (Pa, N/m², psi) in ključna enačba σ = F/A — razlaga vpliva na deformacije in varnost konstrukcij.
Napetost je sila na enoto površine, ki deluje na telo in povzroči spremembo njegove oblike. Napetost je merilo notranjih sil med delci telesa in opisuje, kako se ta telesa med sabo medsebojno obremenjujejo. Pogosto jo razumemo kot povprečno silo, ki deluje na zelo majhen element površine v materialu in povzroča raztezanje, stiskanje ali drsenje okoli te površine.
Napetost je merilo notranjih sil med delci telesa. Te notranje sile so reakcija na zunanje sile, ki delujejo na telo in povzročajo njegovo ločevanje, stiskanje ali drsenje. Zunanje sile so bodisi površinske sile bodisi sile telesa. Napetost je povprečna sila na enoto površine, ki jo delček telesa deluje na sosednji delček prek namišljene površine, ki ju ločuje. V praksi to pomeni, da če si vzamemo zelo majhen delček snovi in ga prerežemo, lahko opišemo silo, ki deluje čez presečno površino, z velikostjo napetosti.
Enačba za enoosno normalno napetost
Enačba za enoosno normalno napetost je:
σ = F A {\displaystyle {\sigma }={\frac {F}{A}}} 
kjer je σ napetost, F je sila, A pa površina prek katere ta sila deluje. Pri razumevanju formule je pomembno, da je površina tista, ki je pravokotna na smer sile, kadar govorimo o normalni (torej pravokotni) napetosti.
Enote
V enotah SI se sila meri v newtonih, površina pa v kvadratnih metrih. To pomeni, da je napetost v njutonih na kvadratni meter ali N/m2. Vendar ima napetost svojo enoto SI, imenovano paskal. 1 paskal (simbol Pa) je enak 1 N/m2. V imperialnih enotah se napetost meri v kilogramih sile na kvadratni palec, kar se pogosto skrajša na "psi". Dimenzija napetosti je enaka dimenziji tlaka.
Vrste napetosti
- Normalna napetost: deluje pravokotno na presečno površino (raztezanje ali stiskanje).
- Sila strižna (skozi ploskev): deluje vzporedno s presečno površino in povzroča drsenje sosednjih slojev (shear stress).
- Kompleksne napetosti: v trdim telesih in konstrukcijah so napetosti v splošnem tridimenzionalne in jih opišemo s napetostnim tenzorjem (3×3 matrika), ki vključuje normalne in strižne komponente.
Mehanika kontinuuma
V mehaniki kontinuuma se obremenjeno deformabilno telo obnaša kot kontinuum. Te notranje sile so torej kontinuirano porazdeljene znotraj prostornine materialnega telesa. (To pomeni, da je porazdelitev napetosti v telesu izražena kot kosovno zvezna funkcija prostora in časa.) Sile povzročajo deformacijo oblike telesa. Deformacija lahko privede do trajne spremembe oblike ali porušitve konstrukcije, če material ni dovolj močan. Pri tem je smiselno ločiti med elastično deformacijo, ki je reverzibilna, in plastično deformacijo, ki je trajna.
Povezava z deformacijo in zakon materiala
Pri enostavnih primerih enoosnega obremenjevanja obstaja linearna povezava med napetostjo σ in raztezkom (strino) ε preko Hookovega zakona:
- σ = E · ε, kjer je E modul elastičnosti (Youngov modul) materiala.
Ta linearna zveza velja za majhne elastične deformacije pri linearno-elastičnih materialih. Pri večjih obremenitvah ali za neraztegljive materiale je treba uporabiti nelinearne modele ali plastenjske modele materiala.
Glavni (principal) napetosti in varnost
V splošnem tridimenzionalnem stanju napetosti lahko poiščemo glavne (principal) napetosti – to so normalne napetosti na posebnih presečnih ravninah, kjer strižne komponente izničijo. Poznavanje največjih glavnih napetosti je pomembno za oceno, ali bo material popustil (yield) ali počil. Pogosti kriteriji odpovedi so npr. von Misesov kriterij in Treskakov kriterij (maximum principal stress).
Pri oblikovanju konstrukcij se uporablja faktor varnosti, ki primerja nazivno dovoljeno napetost materiala (npr. mejo tečenja ali tlačno trdnost) z največjo pričakovano napetostjo v konstrukciji.
Merjenje napetosti
Napetosti v realnih konstrukcijah se merijo z različnimi metodami:
- Razteznostni merilniki (strain gauges) – preko merjenja deformacije izračunamo napetost ob poznavanju modula elastičnosti.
- Fotoelastičnost – optična metoda za vizualizacijo polja napetosti v prozornih modelih.
- Digitalna korelacija slik (DIC) – neinvazivna metoda za merjenje polja deformacij na površini.
Praktični primer
Če na nosilec s presekom A = 10 mm2 deluje sila F = 1 kN (1000 N) vzdolž osi, je povprečna normalna napetost:
σ = F / A = 1000 N / (10·10−6 m2) = 1·10^8 N/m2 = 100 MPa.
Pri takem izračunu je ključnega pomena, da se enote pravilno pretvorijo (mm2 → m2) in da upoštevamo, ali je obremenitev enakomerno porazdeljena.
Opombe o omejitvah modelov
Nekateri modeli mehanike kontinuuma obravnavajo silo kot nekaj, kar se lahko spreminja. Drugi modeli obravnavajo deformacijo snovi in trdnih teles, saj so značilnosti snovi in trdnih teles tridimenzionalne. Vsak pristop lahko da različne rezultate. Klasični modeli mehanike kontinuuma predpostavljajo povprečno silo in ne vključujejo ustrezno "geometrijskih dejavnikov". Geometrija telesa je lahko pomembna za to, kako se porazdelijo napetosti in kako se kopiči energija med delovanjem zunanje sile. Pri analizi je zato pogosto treba uporabiti numerične metode (npr. metodo končnih elementov), ki lahko upoštevajo kompleksne oblike in lokalne koncentratorje napetosti.
Slika 1.4 Strižna napetost v prizmatični palici. Razporeditev napetosti ali sile v prerezu palice ni nujno enakomerna. Kljub temu je povprečna strižna napetost τ a v g {\displaystyle \tau _{\mathrm {avg} }\,\! }
je razumen približek.
Slika 1.3 Normalna napetost v prizmatični palici (ravnem elementu z enakomernim prečnim prerezom). Porazdelitev napetosti ali sile v prečnem prerezu palice ni nujno enakomerna. Vendar je povprečna normalna napetost σ a v g {\displaystyle \sigma _{\mathrm {avg} }\,\! } 
lahko uporabimo.
Slika 1.1 Napetost v obremenjenem deformabilnem materialnem telesu, ki je predpostavljeno kot kontinuum.
Slika 1.2 Osna napetost v prizmatični palici, ki je osno obremenjena.
Strižna napetost
Dodatne informacije: Strižna napetost
Enostavne obremenitve
V nekaterih primerih lahko napetost v objektu opišemo z enim samim številom ali enim samim vektorjem (število in smer). Tri take preproste napetosti so enoosna normalna napetost, preprosta strižna napetost in izotropna normalna napetost.
Enoosna normalna napetost
Natezna napetost (ali napetost) je napetostno stanje, ki povzroča raztezanje; to pomeni, da se dolžina materiala povečuje v smeri raztezanja. Prostornina materiala ostane nespremenjena. Kadar na telo deluje enaka in nasprotna sila, se napetost, ki je posledica te sile, imenuje natezna napetost.
Zato se pri enoosnem materialu dolžina poveča v smeri natezne napetosti, v drugih dveh smereh pa se zmanjša. Pri enoosnem načinu raztezanja se natezna napetost povzroča z vlečnimi silami. Natezna napetost je nasprotna tlačni napetosti.
Konstrukcijski elementi v neposredni napetosti so vrvi, zemeljska sidra in žeblji, vijaki itd. Pri nosilcih, ki so izpostavljeni upogibnim momentom, lahko pride do nateznih napetosti ter tlačnih in/ali strižnih napetosti.
Natezno napetost lahko povečujemo, dokler ne dosežemo natezne trdnosti, tj. mejnega stanja napetosti.
Napetost v enodimenzionalnih telesih
Vsi resnični predmeti zavzemajo tridimenzionalni prostor. Če pa sta dve dimenziji zelo veliki ali zelo majhni v primerjavi z ostalimi, se lahko predmet modelira kot enodimenzionalen. To poenostavi matematično modeliranje predmeta. Med enodimenzionalne predmete spadata kos žice, ki je obremenjen na koncih in gledan s strani, ter pločevina, ki je obremenjena na licu in gledana od blizu in skozi prerez.
Sorodne strani
- Napetost
- Upogibanje
Vprašanja in odgovori
V: Kaj je stres?
O: Napetost je sila na enoto površine, ki deluje na telo in povzroči spremembo njegove oblike. Je merilo notranjih sil v telesu med njegovimi delci in je povprečna sila na enoto površine, s katero delček telesa deluje na sosednji delček na namišljeni površini, ki ju ločuje.
V: Kako zunanje sile vplivajo na napetost?
O: Zunanje sile so bodisi površinske sile bodisi sile telesa in povzročajo deformacijo oblike telesa, ki lahko privede do trajne spremembe oblike ali porušitve strukture, če material ni dovolj močan.
V: Kakšna je formula za enoosno normalno napetost?
O: Enačba za enoosno normalno napetost je σ = F/A, kjer je σ napetost, F je sila, A pa površina. V enotah SI se sila meri v njutonih, površina pa v kvadratnih metrih, kar pomeni, da je napetost njuton na kvadratni meter (N/m2). Vendar pa obstaja lastna enota SI za napetost, imenovana paskal (Pa), ki je enaka 1 N/m2. V imperialnih enotah bi se merila v funtih sile na kvadratni palec (psi).
V: Kaj predvideva mehanika kontinuuma o sili?
O: Klasični modeli mehanike kontinuuma predpostavljajo povprečno silo in ne vključujejo geometrijskih dejavnikov - kar pomeni, da ne upoštevajo, kako geometrija vpliva na to, kako se med uporabo zunanje sile kopiči energija.
V: Kako lahko različni modeli dajejo različne rezultate pri preučevanju deformacij snovi in trdnih teles?
O: Različni modeli različno obravnavajo deformacijo snovi in trdnih teles, ker so značilnosti snovi in trdnih teles tridimenzionalne - zato vsak pristop upošteva različne vidike, kar lahko privede do različnih rezultatov.
V: Kako mehanika kontinuuma obravnava obremenjena deformabilna telesa?
O: Mehanika kontinuuma obravnava obremenjena deformabilna telesa kot kontinuum - kar pomeni, da so notranje sile stalno porazdeljene po prostornini materialnega telesa in niso skoncentrirane v določenih točkah kot pri klasičnih modelih.
Iskati