المرونة والإجهاد والإجهاد والإجهاد
ما هي المرونة
تشير المرونة إلى قدرة المادة على الخضوع للتشوه (التمدد أو الانضغاط أو الانحناء) عند تعرضها لقوة خارجية، ثم تعود إلى شكلها الأصلي عند إزالة القوة. وبشكل أساسي، فإن المواد المرنة "ترتد" بعد تمددها أو انضغاطها. يتم تحديد المدى الذي يمكن أن تعود فيه المادة إلى شكلها الأصلي دون تشوه دائم من خلال حد المرونة الذي تتخطاه المادة التي تتشوه أو تنكسر بشكل دائم.
المرونة والإجهاد والانفعال
لفهم المرونة، من الضروري فهم الإجهاد والإجهاد، وهما مفهومان مرتبطان.
- الإجهاد هو القوة المؤثرة على المادة لكل وحدة مساحة، وغالبًا ما يقاس بالباسكال (Pa) أو الرطل لكل بوصة مربعة (psi). ويمكن تصنيفه إلى أنواع مثل إجهاد الشد (الشد)، أو إجهاد الانضغاط (الدفع)، أو إجهاد القص (قوى الانزلاق).
- الإجهاد هو نتيجة الإجهاد، ويمثل التشوه الذي يحدث في المادة عند تطبيق الإجهاد. وهو كمية بلا أبعاد، وتحسب على أنها التغير في الطول (أو الشكل) مقسومًا على الطول أو الشكل الأصلي.
عندما يتم تطبيق الإجهاد على مادة مرنة، فإنه يسبب إجهادًا، ولكن طالما بقيت المادة ضمن حدها المرن، فإن الإجهاد سيكون قابلاً للانعكاس. وهذا يعني أن المادة ستعود إلى شكلها الأصلي بمجرد إزالة الإجهاد.
عادةً ما تكون العلاقة بين الإجهاد والانفعال للمواد المرنة خطية ويمكن وصفها بق انون هوك، الذي ينص على أن مقدار الانفعال يتناسب طرديًا مع الإجهاد المطبق، شريطة أن تظل المادة ضمن الحد المرن.
المواد المرنة الشائعة
تُظهر مواد مختلفة سلوكًا مرنًا بدرجات متفاوتة، وتشمل الأمثلة الأكثر شيوعًا ما يلي
- المطاط: يُعرف المطاط بمرونته العالية، حيث يمكن أن يتمدد المطاط بشكل كبير ويعود إلى شكله الأصلي عند تحرير القوة. ويُستخدم على نطاق واسع في منتجات مثل الإطارات وموانع التسرب واللدائن.
- الفولاذ: الفولاذ مادة قوية ومرنة للغاية لا تتشوه إلا قليلاً تحت الأحمال الكبيرة، مما يجعلها مثالية للتطبيقات الإنشائية مثل الجسور والمباني.
- الخشب: الخشب مرن إلى درجة معينة، مما يسمح له بالانحناء تحت الضغط دون أن ينكسر، خاصةً عند استخدامه في العوارض والألواح الخشبية.
- الخرسانة: على الرغم من أن الخرسانة ليست عالية المرونة، إلا أنها تتمتع بمرونة كافية لاستخدامات معينة في البناء، خاصةً عند دمجها مع حديد التسليح (الخرسانة المسلحة).
- البوليمرات: تُظهر العديد من البوليمرات، مثل النايلون والبولي إيثيلين، مرونة كبيرة، مما يجعلها مثالية للتغليف المرن والمنسوجات والتطبيقات الطبية.
النيتينول: مادة مرنة ذكية
أحد أكثر الأمثلة الرائعة على المرونة هو النيتينول، وهو نوع من السبائك ذات ذاكرة الشكل التي تتميز بخصائص مرونة فريدة من نوعها. يتكون النيتينول بشكل أساسي من النيكل والتيتانيوم ويمكنه "تذكر" شكله الأصلي.
- تأثير ذاكرة الشكل: يمكن أن يتشوه النيتينول عند درجة حرارة واحدة، وعند التسخين يعود إلى شكله الأصلي. ترجع هذه الخاصية إلى تغير الطور الذي يحدث عند درجة حرارة محددة، مما يسمح للمادة "بالعودة" إلى شكلها المحدد مسبقاً.
- المرونة الفائقة: بالإضافة إلى تأثير ذاكرة الشكل، يُظهر الننتول أيضًا مرونة فائقة. ويعني هذا أن النيتينول يمكن أن يتعرض لتشوه كبير تحت الضغط ويعود إلى شكله الأصلي دون تشوه دائم، حتى عندما يتجاوز الضغط الحد المرن العادي للمادة. تُعد المرونة الفائقة مفيدة بشكل خاص في الأجهزة الطبية مثل الدعامات وإطارات النظارات والمشغلات.
وقد جعل مزيج النيتينول من المرونة العالية وسلوك ذاكرة الشكل والمرونة الفائقة من مادة النيتينول مادة ثورية في مجالات مثل الهندسة الطبية الحيوية والفضاء والروبوتات.
الأسئلة المتداولة
ما الفرق بين المرونة واللدونة؟
تشير المرونة إلى قدرة المادة على العودة إلى شكلها الأصلي بعد التشوه، بينما تشير اللدونة إلى القدرة على الخضوع لتشوه دائم دون أن تنكسر. تعود المواد التي تتسم بالمرونة إلى شكلها الأصلي، بينما لا تعود المواد التي تتسم باللدونة إلى شكلها الأصلي.
هل يمكن اعتبار جميع المواد مرنة؟
لا، ليست كل المواد مرنة. يمكن للمواد التي تظهر مرونة أن تعود إلى شكلها الأصلي بعد التشوه. فمواد مثل الزجاج والسيراميك والمعادن الهشة قد تنكسر أو تتكسر بدلاً من العودة إلى شكلها الأصلي، مما يجعلها هشة وليست مرنة.
كيف تقاس المرونة؟
تقاس المرونة عادةً بمعامل المرونة أو معامل يونغ الذي يقيس صلابة المادة. ويتم تحديده بقسمة الإجهاد المطبق على المادة على الإجهاد الناتج.
لماذا يستخدم النيتينول في الأجهزة الطبية؟
يُستخدم النيتينول في الأجهزة الطبية نظراً لخصائصه فائقة المرونة والذاكرة الشكلية. وتسمح له هذه الخواص بالعمل في البيئات الديناميكية حيث تكون المرونة والقدرة على العودة إلى شكل محدد مسبقًا أمرًا بالغ الأهمية، كما هو الحال في الدعامات والأسلاك التوجيهية والأدوات الجراحية الأخرى.
كيف تؤثر درجة الحرارة على المرونة؟
بالنسبة للعديد من المواد، يمكن أن تتغير المرونة مع درجة الحرارة. فمع ارتفاع درجة الحرارة، قد تصبح المادة أكثر مرونة أو، في بعض الحالات، تفقد خصائصها المرنة. على سبيل المثال، يصبح النيتينول أكثر مرونة في درجات حرارة معينة بسبب تغير طوره، بينما تصبح العديد من المعادن مثل الفولاذ أقل مرونة في درجات الحرارة العالية.
Chin Trento
