עמיסה של דגימת חומר תוביל למאמצים בתוך הדגימה (stress, σ). מאמצים עלו גורמים לעיבורים  של החומר (strain, ε)- החומר מתעוות, מתקצר או נמתח. פירוש הדבר שאם נמדוד 2 נקודות בתוך הדגימה הרי שהמרחק ביניהם יהיה שונה לפני ואחרי הפעלת העומס. אם נרשום את העיבור הנוצר כתלות במאמץ, נקבל עקומה הקרויה עקומת עיבור-מאמץ (strain stress curve). ניתן להבחין בעקומה בשני אזורים: האזור האלסטי והאזור הפלסטי. בתוך האזור האלסטי החומר מתנהגת כמעט כקפיץ והעיבור גדל ביחס ישר למאמץ. התנהגות זו פירושה כי באזור האלסטי בכל נקודה שנבדוק, היחס בין המאמץ לעיבור זהה. ברמה האטומית ניתן לתאר זאת כמתיחה וכפיפה של קשרים בין-אטומיים ללא שבירתם. שחרור של המעמס יגרום לדגימה לחזור למצב ההתחלתי ללא נזק נראה לעין. למעשה נוצר נזק מיקרוסקופי באזורים שונים בהם נוצרו ריכוזי מאמצים; לאחר מספר רב של עמיסות, סדר גודל של עשרות עד מאות אלפים של חזרות, הדגימה תישבר עקב עייפות החומר. אחד מהביטויים המוכרים למצב זה הם שברי מאמץ הנוצרים משילוב של עמיסה במספר רב של חזרות יחד עם זמן מנוחה מועט שאינו מאפשר תיקון (נפוץ בחיילים).


עקומת עיבור-מאמץ.

השיפוע של האזור האלסטי מיצג את היחס בין המאמץ לעיבור, יחס זה מתואר בחוק הוק (E= σ/ ε) במידה ומדובר בקפיץ E=k, כלומר קבוע הקפיץ. בדגימה של חומר היחס מוגדר כ "מודול יאנג" או מודול האלסטיות של החומר (Young's modulus, E). מודול יאנג היא תכונה פנימית וקבועה של החומר שאינה תלויה בצורה או בגודל הדגימה.

במידה ועברנו את הנקודה  בה החומר מתנהג באלסטיות העיוות שנוצר נותר קבוע ואנו מגדירים זאת כאזור הפלסטי של החומר. נזק בלתי הפיך זה פירושו שבירה של קשרים בין אטומיים. אזור זה מאופיין ביחס לא ישר בין המאמץ לעיבור; עליה קטנה במאמץ יכולה להוביל לעליה גדולה מאוד בעיבור. האזור הפלסטי תחום בתחילתו בנקודת הכניעה של החומר (yield point) המהווה את הקצה העליון של האזור האלסטי או הנקודה בה הדגימה מתחילה לעבור נזק בלתי הפיך ובסופו בנקודת הכשל שבה העיבור המקסימאלי ולאחריו הדגימה נשברת.

השטח מתחת לעקומה כולה הוא מדד לכמות האנרגיה שהעצם יכולה "לספוג" לפני שהיא נשברת, מדד זה מוגדר כקשיות (toughness) של החומר.

מאת: ד"ר מאיר ברק
המחלקה לביולוגיה מבנית
מכון ויצמן למדע

הערה לגולשים
אם אתם חושבים שההסברים אינם ברורים מספיק או אם יש לכם שאלות הקשורות לנושא, אתם מוזמנים לכתוב על כך בפורום. אנו נתייחס להערותיכם. הצעות לשיפור וביקורת בונה תמיד מתקבלות בברכה.

10 תגובות

  • אורן

    שתי שאלות

    שאלה ראשונה-עד עכשיו לא ברור לי מדוע חומרים מתארכים או מתכווצים. ההתארכות או ההתכווצות מתקיימים במצב של שיווי משקל, כלומר שסכום הכוחות והמומנטים על הגוף הוא אפס, ולכן אני לא מצליח להבין, מה גורם לנטייה של חומרים להתארך או להתכווץ?
    שאלה שנייה-אם הבנתי נכון, אז בתחום האלסטי, כתוצאה מעומס הגוף יתארך או יתכווץ, וברגע שנרפה הגוף יחזור למצבו המקורי, ובתחום הפלסטי כאשר נרפה מהחומר, ההתארכות או ההתכווצות ישארו והחומר לא יחזור למצבו המקורי?

  • אנונימי

    1. ניתן להמחיש את זה בצורה

    1. ניתן להמחיש את זה בצורה פשוטה, קח קופסת קרטון, ותלחץ עליה באופן שווה משני הצדדים.
    כעת סכום הכוחות בכיוון x שווה אפס כך שהקופסה לא נעה, אך עדיין היא נמעכת בין הידים.
    2 בתחום הפלסטי הגוף אמנם לא יחזור עד המצב המקורי, אך בדרך כלל יחזור חלקית.

  • גל

    הגדרה של ש״מ

    הגוף במנוחה או במהירות קבועה,
    ולכן העמסות סטטיות הן העמסות איטיות שכן גורמות לדפורמציות מסויימות אך אינן גורמות לשינוי במהירות (תאוצה).

  • יוסף

    הסבר עמוק...

    בס"ד

    התשובה לשאלה מהו חוק הוק היא מורכבת מדי ולא מובנת לאנשים שאין להם רקע מדעי נרחב ועמוק...

  • מאיר ברק

    תשובה

    יש תשובה נוספת שעוסקת בעקומה עצמה:
    קישורים:
    עקומת עיבור-מאמץ
    http://www.weizmann.ac.il/zemed/net_activities.php?cat=1525&incat=1412&a...

  • אריאל

    מדוע חותכים בסכין בתנועה קדימה ואחורה?

    מה העיקרון העומד מאחורי תנועת החיתוך קדימה-אחורה בעזרתו קל יותר לחתוך עם סכין?

  • מאיר ברק

    תשובה

    שאלה יפה מאוד!

    הייתי רק מחדד (משחק מילים) את העובדה שלא תמיד חותכים בתנועה קדימה אחורה.
    נסו לחשוב העצמכם מתי החיתוך הוא בתנועה קדימה אחורה ומתי מפעילים לחץ נקודתי סטטי...

    ובכן התשובה היא שכאשר יש לסכין או למסור שיניים יש תועלת בתנועה קדימה אחורה.
    לעומת זאת בגרזן או בסכינים חלקות התנועה היא לכיוון האופייקט בניצב אליו.

    הכל קשור לעובדה שהכוח שאנו מפעילים הוא רק חלק מהעניין החלק השני הוא השטח עליו הכוח מופעל.

    כוח של 80 קילוגרם המפוזר על כל הגוף אינו עומס משמעותי - זה תיאור מדוייק של מיטת פקיר.
    אך תנסו לרכז את כל הכוח הזה על מסמר אחד.... לא עלינו.

    סכין למעשה מנתק קשרים בין אטומים במוצקים. מכיוון שהסכין חדה כל הכוח מתרכז בשטח מאוד צר ולכן היעילות של הסכין בחיתוך לחם למשל גבוהה הרבה יותר מאשר השימוש ביד.
    כאשר הסכין משונן התנועה קדימה ואחורה מביאה כל פעם רק חצי מהשטח במגע על החפץ מה שמעלה את יעילות השימוש בכוח.
    בנוסף תנועת הגריפה גם מסלקת חלק מהחומר (במקרה של עץ זה נסורת) מה שמקל על שמירת איזור המגע נקי ומשפרת אף היא את פעולת החיתוך.

  • ראובן קנופף

    המציאות בסכין ללא שיניים

    המציאות היא שגם בסכין ללא שיניים יותר קל לחתוך בתנועה (הדבר גם תלוי בסוג החומר ממנו עשוי הדבר הנחתך) וכנראה מהטעם האמור, שהלחץ מופעל על פחות שטח.

  • אור

    למה גומי יכול להימתח ופלסטיק לא?

    ומדוע כשממיסים גומי הוא עושה ריח רע?

  • מאיר ברק

    גומי הוא חומר אלסטי

    חומר אלסטי הוא חומר שעד לטווח מסוים ניתן למתוח אותו והוא חוזר למצבו ההתחלתי.
    גומי מורכב משרשראות של איזופרן (Isoprene) וכן כמות קטנה של חלבונים, שומנים, סוכרים ומינרלים.
    הקשרים בין השרשראות מפותלים ולכן כאשר אנו מותחים את הגומי (כל עוד הקשרים לא נקרעים) אנו למעשה מיישרים את הקשרים בין מולקולות האיזופרן.

    הריח של גומי שרוף הוא פשוט הריח של מולקולות האיזופרן המשתחררות מהחומר בזמן שריפה.
    קישורים:
    הסבר עם תמונות על גומי ואלסטיות
    http://web.mit.edu/course/3/3.11/www/pset03/Rec9.pdf

    מה זה בעצם ריח
    http://www.weizmann.ac.il/zemed/net_activities.php?cat=1525&incat=1412&a...