مقاومت کششی: وقتی مواد زیر بار می‌کشند!
مقاومت کششی چیست و چگونه اندازه‌گیری می‌شود؟
فرض کنید یک کش پلاستیکی را از دو طرف می‌کشید. در ابتدا کش به راحتی بلند می‌شود، اما بعد از یک جایی، کشیدن آن سخت‌تر می‌شود تا اینکه بالاخره پاره می‌شود. مقاومت کششی در واقع حداکثر نیروی کششی است که یک ماده می‌تواند قبل از شکستن تحمل کند. دانشمندان برای اندازه‌گیری دقیق این خاصیت از دستگاهی به نام «دستگاه آزمون کشش» استفاده می‌کنند. در این آزمون، یک نمونه از ماده (مانند یک میله فلزی) به آرامی از دو طرف کشیده می‌شود و همزمان، نیروی وارد شده و تغییر طول نمونه ثبت می‌گردد.
$\sigma = \frac{F}{A}$
در این فرمول، σ (سیگما) نماد تنش، F نماد نیروی کششی وارد شده و A نماد سطح مقطع اولیه نمونه است. واحد تنش، پاسکال (Pa) است.
رفتار مواد مختلف در برابر کشش
همه مواد به یک شکل در برابر کشش واکنش نشان نمی‌دهند. برخی مانند پلاستیک، کش می‌آیند و تغییر شکل دائمی می‌دهند (ماده‌ی چکش‌خوار۵)، در حالی که برخی دیگر مانند شیشه، با کمی کشش به راحتی می‌شکنند (ماده‌ی شکننده۶). رفتار مواد را می‌توان روی یک نمودار تنش-کرنش نشان داد. کرنش میزان تغییر شکل نسبی ماده است که با فرمول $\epsilon = \frac{\Delta L}{L}$ محاسبه می‌شود (ΔL تغییر طول و L طول اولیه).
| نام ماده | مقاومت کششی تقریبی (مگاپاسکال) | رفتار کلی |
|---|---|---|
| فولاد سازه‌ای | ۴۰۰ | چکش‌خوار و مستحکم |
| آلومینیوم | ۹۰ | چکش‌خوار و سبک |
| شیشه | ۷ | شکننده |
| پلی‌اتیلن (پلاستیک بطری) | ۱۵ | بسیار چکش‌خوار |
مقاومت کششی در سازه‌های واقعی
این مفهوم در زندگی روزمره و صنعت کاربردهای فراوانی دارد. مهندسان هنگام طراحی پل‌های معلق، باید مطمئن شوند که کابل‌های اصلی پل، مقاومت کششی کافی برای تحمل وزن خود پل، وسایل نقلیه و حتی بار باد را دارند. در طناب‌های کوهنوردی، مقاومت کششی بالا برای ایمنی حیاتی است. حتی تار عنکبوت که یکی از مستحکم‌ترین الیاف طبیعی شناخته شده است، نسبت به وزن خود، مقاومت کششی فوق‌العاده‌ای دارد. در ساخت بدنه هواپیماها نیز از آلیاژهای آلومینیوم با مقاومت کششی خاص استفاده می‌شود تا هم سبک باشد و هم در برابر فشارهای پرواز مقاومت کند.
اشتباهات رایج و پرسش‌های مهم
خیر. این بستگی به کاربرد دارد. برای مثال، شیشه ممکن است مقاومت کششی پایینی داشته باشد، اما برای پنجره‌ها به دلیل شفافیتش مناسب است. یا لاستیک خودرو، باید ترکیبی از مقاومت کششی و خاصیت ارتجاعی خوب داشته باشد تا هم پاره نشود و هم ضربات جاده را جذب کند.
«استحکام» یک مفهوم کلی‌تر است و می‌تواند به انواع مختلف مقاومت (مقاومت در برابر ضربه، سایش، خستگی و غیره) اشاره کند. اما مقاومت کششی به طور خاص، به مقاومت ماده در برابر نیروهای کششی گفته می‌شود.
بله، قطعاً. موادی که سطح مقطع بزرگ‌تری دارند، معمولاً می‌توانند نیروی کششی بیشتری را تحمل کنند (طبق فرمول $\sigma = F/A$). همچنین وجود ترک یا بریدگی در لبه‌های یک ماده می‌تواند تمرکز تنش ایجاد کند و مقاومت کششی مؤثر آن را به طور چشمگیری کاهش دهد.
مقاومت کششی یک خاصیت مکانیکی کلیدی است که توانایی یک ماده در تحمل کشش قبل از گسیختگی را نشان می‌دهد. این ویژگی با آزمایش کشش و از طریق نمودار تنش-کرنش اندازه‌گیری می‌شود. انتخاب مواد با مقاومت کششی مناسب، پایه‌ای برای طراحی ایمن و کارآمد بی‌شمار سازه‌ها و محصولات، از وسایل ساده روزمره تا پیچیده‌ترین پروژه‌های مهندسی است. درک این مفهوم ساده اما قدرتمند، پنجره‌ای به دنیای علم مواد و مهندسی می‌گشاید.
پاورقی
۱ مقاومت کششی (Tensile Strength)
۲ تنش (Stress)
۳ کرنش (Strain)
۴ نقطه تسلیم (Yield Point)
۵ چکش‌خوار (Ductile)
۶ شکننده (Brittle)
