Stress และ Strain
พอดีไปเจอคลิปวิดีโอใน YouTube ที่น่าสนใจและคิดว่าดีมากๆ ครับ เลยอยากเอามานำเสนอให้กับทุกท่านให้ได้อ่านหรือฟังกัน ซึ่งเรื่องนี้ก็เป็นเรื่องพื้นฐานเรื่อง stress และ strain ที่ทุกท่านน่าจะทราบกันเป็นอย่างดีอยู่แล้ว แต่คิดว่าในวีดีโอตัวนี้เค้าอธิบายไว้ได้ดีครับ เลยเอามาฝากกันซึ่งทั้ง Stress และ Strain นั้น ถือว่าเป็นพื้นฐานที่ใช้สำหรับการอธิบายการตอบสนองของวัตถุต่อแรงภายนอกที่มากระทำ
Stress (หน่วยแรง / ความเค้น)
ในเนื้อหานี้จะยกตัวอย่างโดยใช้ แท่งเหล็กตันเป็นวัสดุ จากนั้นก็ทำการใส่แรงดึงเข้าไปทั้ง 2 ฝั่ง ของแท่งเหล็กโดยที่ให้แรงนั้นอยู่ในแนวแกนเดียวกัน เราเรียกการใส่แรงแบบนี้ว่า uniaxial loading ซึ่งแน่นอนว่า เมื่อใส่แรงเข้าไป
แท่งเหล็กก็ต้องยืดออก และทำให้เกิดแรงภายใน (internal force) ขึ้น เพื่อที่จะต้านทานแรงภายนอกที่ใส่เข้าไป ดังนั้น หากลองจินตนาการว่าเราตัดเหล็กที่บริเวณหน้าตัดหนึ่งๆ ก็จะเห็นแรงภายในที่เกิดขึ้น ซึ่งเป็นแรงภายในที่เกิดขึ้นเพื่อทำให้วัตถุยังเกิดความสมดุลอยู่
แรงภายในที่เกิดขึ้นก็จะกระจายตัวอยู่ทั่วหน้าตัดนั้นๆ ซึ่งก็ทำให้เกิดความสัมพันธ์ระหว่างแรงต่อพื้นที่ หรือก็ คือ สิ่งที่เราเรียกว่า stress นั่นเองครับ โดยในความหมายของ stress นี้ ก็จะอธิบายได้ว่า มันคือ “ปริมาณของการกระจายแรงภายในวัสดุหนึ่งๆ ที่เป็นผลมาจากแรงภายนอกที่มากระทำ”
ซึ่งหาก แรงภายในกระทำตั้งฉากกับหน้าตัด เราก็จะเรียกว่า normal stress โดยที่เราสามารถคำนวณ stress ตัวนี้ได้จาก แรงภายนอก หารด้วย พื้นที่หน้าตัดของวัตถุ (F/A) ซึ่ง normal stress นี้ ก็มีความสำคัญ เนื่องจากสามารถที่จะบอกได้ว่า วัตถุนั้นๆ จะเกิดการวิบัติขึ้นเมื่อใส่แรงไปเท่าไหร่นั่นเอง
ยกตัวอย่างเช่น เราบอกว่า เหล็กแท่งกลมตัน มีค่า Fy = 2,400 ksc และมีพื้นที่หน้าตัด A = 314 cm2 เพราะฉะนั้น เหล็กแทนนี้ จะสามารถรับแรงภายนอกได้เท่ากับ 2,400 x 314 = 753.6 tons หากแรงภายนอก (แรงดึง) ที่ใส่เข้าไปเกินจากค่าๆ นี้ ก็จะทำให้เหล็กแท่งนี้เกิดการวิบัติขึ้น
และแน่นอนว่า stress ที่ว่านี้ ก็สามารถเป็นได้ทั้ง tensile stress และ compressive stress โดยที่การให้สัญลักษณ์ทางคณิตศาสตร์ ก็จะให้ tensile เป็นบวก และ compressive เป็นลบ โดยที่เราตั้งสมมติฐานว่า stress ที่เกิดขึ้นนี้กระจายตัวเท่ากันหมดทั้งหน้าตัด
Strain (ความเครียด / ระยะยืด-หด)
คำว่า strain เราสามารถให้คำจำกัดความได้ว่า เป็นค่าที่บอกถึง “การเสียรูป (deformation) ที่เกิดขึ้นภายในวัตถุหนึ่งๆ” สมมติว่าเรามีเหล็กแท่งหนึ่ง และทำการยึดปลายข้างหนึ่งไว้ไม่ให้ขยับได้ จากนั้นทำการดึงเหล็กแท่งนี้ออก เหล็กก็จะเกิดการเสียรูป (ยืดตัว)
ซึ่ง normal strain นี้ ที่เกิดจากความสัมพันธ์ของการเสียรูป สามารถคำนวณออกมาได้จาก ระยะการเสียรูป (ยืดตัว) ที่เกิดขึ้น (delta L) หารด้วยระยะความยาวเดิม (L) โดยค่า normal strain นี้ จะไม่มีหน่วย แต่จะเป็นค่าที่แสดงถึง percentage เสียมากกว่า
Concept ของ stress และ strain นี้เป็นความสัมพันธ์ที่เกิดขึ้นพร้อมๆ กัน และสามารถอธิบายได้ด้วย stress – strain diagram ซึ่ง diagram นี้ก็จะมีความแตกต่างกันไปตามวัสดุที่นำมาทดสอบ
สมมติเราเอาเหล็กมาทำการดึง ก็จะได้กราฟความสัมพันธ์แรงหว่าง stress และการเสียรูปที่ ที่เกิดขึ้น โดยในส่วนแรก (รูปที่ 4 ด้านล่างขวา) ที่เป็นสีน้ำเงิน จะเห็นว่าลักษณะความสัมพันธ์ระหว่าง stress และ strain เป็นเส้นตรง
และ deformation ที่เกิดขึ้นในช่วงที่กราฟเป็นเส้นตรงนั้น จะเป็นการเสียรูปแบบไม่ถาวร (หมายถึง หากเอาแรงที่ใส่เข้าไปออก วัสดุก็จะกลับเป็นเหมือนเดิม) เราก็เลยเรียกพฤติกรรมนี้ว่า elastic นั่นเอง
ความสัมพันธ์แบบเส้นตรงนี้ สามารถอธิบายได้ด้วย Hook’s Law โดย อัตราส่วนระหว่าง stress ต่อ strain นั้น ก็คือ ค่า Young’s Modulas (E) ซึ่งเป็น material property ที่สำคัญมากตัวหนึ่ง
ส่วนในพื้นที่ diagram ที่เป็นสีเขียวนั้น กราฟจะไม่เกิดเป็นเส้นตรงแล้ว ซึ่งการเสียรูปในส่วนนี้ จะเป็นการเสียรูปแบบถาวร ซึ่งเราเรียกว่า plastic deformation
ติดตามเรื่องอื่นๆ คลิก !!