انواع تنش مکانیکی – توضیح ۲۱ نوع Stress به زبان ساده

تنش، یکی از مهم‌ترین کمیت‌های مورد مطالعه در مقاومت مصالح و حوزه‌های مرتبط با آن است. مهندسان رشته‌های مختلف نظیر مکانیک، عمران، معدن، ژئوتکنیک، پزشکی و غیره، برای طراحی و تحلیل المان‌های تحت بارگذاری، از مفهوم تنش استفاده می‌کنند. تنش، انواع متعددی دارد که هر یک از آن‌ها، بر اساس معیارهای مختص به خود تقسیم‌بندی می‌شوند. در این مطلب از مجله فرادرس، به معرفی انواع تنش بر اساس معیارهای مختلف می‌پردازیم.

در ابتدای مطلب، عنوان و دسته‌بندی‌های انواع تنش مکانیکی را مرور می‌کنیم. سپس، انواع تنش بر اساس نوع بار اعمال شده و خواص مکانیکی ماده تحت بارگذاری مورد بررسی قرار می‌دهیم. در نهایت، ضمن بیان ویژگی‌های انواع تنش‌های وابسته به زمان، به بحث در مورد تنش‌های خاص می‌پردازیم.

انواع تنش مکانیکی چه هستند؟

«تنش» (Stress)، یک مفهوم فیزیکی است که عکس‌العمل ذرات داخلی یک ماده در برابر اعمال نیرو در واحد سطح را نمایش می‌دهد. تنش، از تقسیم نیرو بر سطح مقطع به دست می‌آید. البته برخلاف تعریف فشار، منظور از سطح در مفهوم تنش، سطح مقطع داخلی ماده است.

تنش‌های انواع مختلفی دارند. انواع تنش بر اساس معیارهای مختلف عبارت هستند از:

• انواع تنش بر اساس نوع بارگذاری: تنش نرمال، تنش برشی، تنش خمشی و تنش پیچشی
• انواع تنش بر اساس خواص مکانیکی: تنش الاستیک، تنش پلاستیک، تنش تسلیم، تنش نهایی، تنش شکست، تنش مهندسی و تنش واقعی
• انواع تنش بر اساس تغییر نسبت به زمان: تنش استاتیک، تنش دینامیک
• انواع تنش‌های خاص: تنش حرارتی، تنش لهیدگی، تنش پسماند، تنش خستگی، تنش استوانه‌ای و تنش بیومکانیکی

در ادامه، راجع به تمام موارد بالا صحبت می‌کنیم.

انواع تنش بر اساس نوع بارگذاری چه هستند؟

اصلی‌ترین معیار تقسیم‌بندی انواع تنش، نوع نیرو یا بار به وجود آورنده آن است. بر این اساس، تنش‌ها به انواع نرمال (کششی، فشاری)، برشی، خمشی، پیچشی و حجمی تقسیم می‌شوند. در ادامه، به معرفی هر یک از این موارد می‌پردازیم.

تنش نرمال چیست؟

هنگامی که یک ماده در معرض بارهای محوری قرار می‌گیرد، «تنش نرمال» (Normal Stress) یا «تنش محوری» (Axial Stress) در آن به وجود می‌آید. در این نوع تنش، نیروها یا بارهای محوری، در جهت عمود بر سطح مقطع ماده هستند.

فرمول تنش نرمال به صورت زیر نوشته می‌شود:

$$\sigma = \frac { F } { A }$$

• $$\sigma$$: تنش
• $$F$$: نیروی محوری
• $$A$$: مساحت مقطع عمود بر راستای اعمال نیرو

تنش نرمال، ساده‌ترین حالت از انواع تنش است. به همین دلیل، به آن «تنش ساده» (Simple Stress) نیز می‌گویند. تنش نرمال یا ساده به دو نوع تنش فشاری و کششی تقسیم می‌شود.

تنش فشاری چیست؟

«تنش فشاری» (Compressive Stress)، عکس‌العمل ماده در برابر فشردگی ناشی از بارگذاری محوری است. هنگامی که یک ماده در معرض بارهای محوری و کاهش طول قرار می‌گیرد، تنش فشاری در آن به وجود می‌آید. تنش فشاری، با $$\sigma _ { c }$$ نمایش داده می‌شود. فرمول این تنش نرمال عبارت است از:

$$\sigma _ { c } = \frac { F } { A }$$

• • $$\sigma _ { c }$$: تنش فشاری
  • $$F$$: نیروی فشاری
  • $$A$$: مساحت مقطع تحت فشار

مقدار تنش فشاری، دارای علامت منفی است. این علامت، کاهش طول المان تحت بار محوری را نمایش می‌دهد. از معروف‌ترین مثال‌های تنش فشاری در حوزه‌های تخصصی مانند مهندسی عمران می‌توان به تنش‌های موجود در ستون ساختمان اشاره کرد.

مثال‌های متعددی نیز از تنش فشاری در زندگی روزمره وجود دارند. یک صندلی را در نظر بگیرد. هنگام نشستن بر روی این صندلی، وزن شما به شکل یک نیروی محوری به پایه‌های صندلی اعمال می‌شود. به این ترتیب، تنش فشاری در پایه‌های صندلی به وجود می‌آید. اکنون، خود را در حالت ایستاده در نظر بگیرید. استخوان‌های پا، نیروی محوری ناشی از وزن بالاتنه شما را تحمل می‌کنند. به این ترتیب، در استخوان‌های پا نیز تنش فشاری به وجود می‌آید.

تنش کششی چیست؟

«تنش کششی» (Tensile Stress)، عکس‌العمل ماده در برابر کشیدگی ناشی از بارگذاری محوری است. هنگامی که یک ماده در معرض بارهای محوری و افزایش طول قرار می‌گیرد، تنش کششی در آن به وجود می‌آید.

تنش کششی، با $$\sigma _ { t }$$ نمایش داده می‌شود. فرمول این تنش نرمال عبارت است از:

$$\sigma _ { t } = \frac { F } { A }$$

• $$\sigma _ { t }$$: تنش کششی
• $$F$$: نیروی کششی
• $$A$$: مساحت مقطع تحت کشش

از شناخته شده‌ترین مثال‌های تنش کششی در مهندسی مکانیک، تنش موجود در کابل‌های جرثقیل است. کابل‌های جرثقیل، بارهای کششی بسیار زیادی را هنگام جابجایی اجسام تحمل می‌کنند. این بارها، باعث ایجاد تنش کششی می‌شوند. از مثال‌های اجسام تحت تنش کششی در زندگی روزمره می‌توان به کِش اشاره کرد.

تنش برشی چیست؟

«تنش برشی» (Shear Stress)، تنشی است که بر اثر اعمال نیروهای موازی و مماس بر سطح ماده به وجود می‌آید. تنش برشی با عنوان «تنش مماسی» (Tangential Stress) نیز شناخته می‌شود. فرمول تنش برشی به صورت زیر نوشته می‌شود:

$$\tau = \frac { F } { A }$$

• $$\tau$$: تنش برشی
• $$F$$: نیروی برشی
• $$A$$: مساحت مقطع تحت برش

تنش برشی، یکی از مفاهیم مورد استفاده در مکانیک سیالات نیز هست. فرمول تنش برشی در سیالات نیوتنی با جریان آرام به صورت زیر نوشته می‌شود:

$$\tau = \mu \frac { d \delta } { d t }$$

• $$\tau$$: تنش برشی
• $$\mu$$: ویسکوزیته دینامیک
• $$\frac { d \delta } { d t }$$: نرخ کرنش

برش دادن اجسام، صیقل دادن سطوح، جویدن آدامس و غیره، از مثال‌های مرتبط با مبحث تنش برشی در زندگی روزمره هستند. تنش ایجاد شده در اتصالاتی نظیر پیچ و مهره، از بارزترین مثال‌های تنش برشی در دنیای مهندسی به شمار می‌‌رود. تنش برشی در اتصالات مکانیکی نظیر پیچ و مهره‌ها، دو حالت کلی دارد که در ادامه به معرفی آن‌ها می‌پردازیم.

برش منفرد چیست؟

«برش منفرد» (Single Shear)،‌ یکی از انواع حالت‌های اعمال تنش برشی در اتصالات مکانیکی است که تنها بر روی یکی از سطوح جسم ایجاد می‌شود. تصویر زیر، نمونه‌ای از برش منفرد را نمایش می‌دهد.

برش مضاعف چیست؟

«برش مضاعف» (Double Shear)، یکی دیگر از انواع حالت‌های اعمال تنش برشی در اتصالات مکانیکی است که بر روی دو سطح از جسم رخ می‌دهد. تصویر زیر، مکانیزم کلی این برش را نمایش می‌دهد. در محاسبه تنش برشی مضاعف، هر دو سطح تحت برش در محاسبات آورده می‌شوند. بنابراین، فرمول تنش برشی مضاعف به شکل زیر خواهد بود:

$$\tau = \frac { F } { 2 A }$$

• $$\tau$$: تنش برشی مضاعف
• $$F$$: برآیند نیروی برشی
• $$2 A$$: مجموع مساحت دو مقطع تحت برش

تنش خمشی چیست؟

«تنش خمشی» (Bending Stress)، هنگام قرارگیری ماده در معرض گشتاور خمشی به وجود می‌آید. مانند تنش نرمال، عامل اصلی ایجاد تنش خمشی، نیرو یا بار محوری است. علاوه بر این، تنش خمشی معمولا باعث ایجاد مجموعه‌ای از تنش‌های فشاری و کششی می‌شود. البته در تنش خمشی، میزان تنش در فاصله مشخصی از محور اعمال نیرو یا بار مورد بررسی قرار می‌گیرد. بنابراین، سطح عمود بر محور بارگذاری، ملاک محاسبه تنش نخواهد بود.

از ساده‌ترین و متداول‌ترین المان‌های تحت خمش در مهندسی، می‌توان به تیر یا میله تحت خمش اشاره کرد. فرمول محاسبه تنش خمشی به صورت زیر نوشته می‌شود:

$$\sigma _ { b } = \frac { M \gamma } { I }$$

• $$\sigma _ { b }$$: تنش خمشی
• $$M$$: گشتاور یا نیروی خمشی
• $$\gamma$$: فاصله عمودی محل محاسبه تنش تا محور خنثی
• $$I$$: ممان اینرسی

ممان اینرسی یا لختی دورانی، به شکل مقطع المان تحت خمش بستگی دارد. به عنوان مثال، برای یک المان با مقطع مستطیلی، ممان اینرسی از رابطه زیر به دست می‌آید:

$$I = \frac { b h ^ 3 }{ 12 }$$

• $$I$$: ممان اینرسی
• $$b$$: عرض مقطع
• $$h$$: ارتفاع مقطع

تنش پیچشی چیست؟

«تنش پیچشی» (Torsional Stress)، تنشی است که بر اثر اعمال نیروی چرخشی یا پیچش به مقطع یک المان ایجاد می‌شود. ماهیت تنش پیچشی، به تنش برشی شباهت دارد؛ زیرا در این تنش نیز مانند تنش برشی، اعمال نیرو یا بار در راستای مماس بر سطح مقطع المان صورت می‌گیرد.

فرمول تنش پیچشی به صورت زیر نوشته می‌شود:

$$\tau = \frac { T r } { J }$$

• $$\tau$$: تنش پیچشی
• $$T$$: پیچش اعمال شده
• $$r$$: فاصله عمودی محل محاسبه تنش تا مرکز پیچش
• $$J$$: ممان اینرسی قطبی

تصویر زیر، سطح مقطع یک المان دایره‌ای را تحت پیچش نمایش می‌دهد.

مثال‌های زیادی از المان‌های تحت تنش پیچشی در زندگی روزمره وجود دارند. باز کردن در قوطی‌ها، باز/بسته کردن پیچ با پیچ‌گوشتی، چلاندن لباس (هنگام خشک کردن)، چرخاندن دستگیره در و بسیاری از فعالیت‌های مشابه، بر اساس اصول بارگذاری پیچشی و اعمال تنش پیچشی به اجسام انجام می‌شوند.

تنش هیدرواستاتیک یا تنش حجمی چیست؟

هنگامی که یک ماده در معرض بارهای همه‌جانبه قرار می‌گیرد، «تنش حجمی» (Volumetric Stress) یا «تنش هیدرواستاتیک» (Hydrostatic Stress) در آن به وجود می‌آید. نیروهای به وجودآورنده تنش حجمی، همگی از نوع محوری هستند و هیچ نیروی برشی در این نوع تنش حضور ندارد.

در یکی از حالت‌های خاص این تنش، المان مورد مطالعه تحت تنش فشاری همسانگرد قرار می‌گیرد. در این حالت، شکل المان هیچ تغییری نمی‌کند و تنها حجم آن دچار کاهش می‌شود. مقدار تنش حجمی، از میانگین تنش‌های محوری اعمال شده بر المان به دست می‌آید. بنابراین، در دستگاه مختصات سه‌بعدی، می‌توان فرمول تنش حجمی را به صورت زیر نوشت:

$$\sigma _ { h } = \frac { \sigma _ { x x } + \sigma _ { y y } + \sigma _ { z z } }{ 3 }$$

• $$\sigma _ { h }$$: تنش حجمی یا هیدرواستاتیک
• $$\sigma _ {x x }$$: مولفه محوری تنش در راستای محور x
• $$\sigma _ { y y }$$: مولفه محوری تنش در راستای محور y
• $$\sigma _ { z z }$$: مولفه محوری تنش در راستای محور z

اجسامی که درون آب قرار دارند، تحت تنش هیدرواستاتیک قرار می‌گیرند. از مثال‌های اجسام تحت تنش حجمی در زندگی روزمره می‌توان به بادکنک در حین باد شدن، مخازن تحت فشار، بدن انسان در حال شنا زیر آب و غیره اشاره کرد. تنش‌های حجمی، اهمیت ویژه‌ای در حوزه ژئوتکنیک برخوردارند. محیط‌های سنگی و خاکی زیر زمین، معمولا در معرض این نوع تنش هستند.

در مطلب «تخمین منحنی تنش-کرنش»، نحوه به دست آوردن مقادیر تقریبی کرنش در منحنی تنش-کرنش را آموزش دادیم. در ادامه این مطلب از مجله فرادرس، به معرفی انواع تنش بر اساس نقاط مهم منحنی تنش-کرنش می‌پردازیم.

چگونه در مورد انواع تنش یاد بگیریم؟

دانشجویان رشته‌های مهندسی مکانیک، مهندسی عمران، مهندسی مواد، مهندسی پزشکی، مهندسی معدن، مهندسی هوافضا و بسیاری از رشته‌هایی که با تحلیل رفتار مواد مختلف سر و کار دارند، در درس مقاومت مصالح با مفهوم بسیار مهم تنش آشنا می‌شوند. بنابراین، بهترین روش برای یادگیری تخصصی در مورد انواع تنش و کاربردهای آن‌ها، رفتن به سراغ منابع آموزش مقاومت مصالح است. البته پیدا کردن یک منبع آموزشی جامع و کاربردی، چالش‌های خاص خود را دارد. فرادرس، برای رفع این چالش، فیلم‌های آموزشی متعددی را در زمینه مقاومت مصالح و کاربردهای آن در رشته‌های مختلف تهیه کرده است. این فیلم‌های آموزشی، می‌توانند به شما در یادگیری مباحث تئوری، حل مسائل کنکور ارشد و حل آزمون‌های استخدامی کمک کنند. لینک مشاهده این فیلم‌ها در ادامه آورده شده است:

• مجموعه فیلم‌های آموزش مقاومت مصالح به همراه درس، حل مثال و تست فرادرس
  • فیلم آموزش مقاومت مصالح با مرور و حل تست کنکور ارشد فرادرس
  • فیلم آموزش مقاومت مصالح ویژه رشته عمران فرادرس
  • فیلم آموزش حل سوالات آزمون‌های استخدامی مقاومت مصالح فرادرس

انواع تنش بر اساس خواص مکانیکی در منحنی تنش-کرنش

منحنی تنش-کرنش، یکی از مهم‌ترین و پرکاربردترین ابزارها در حوزه مقاومت مصالح است که به منظور درک رفتار مواد در حین بارگذاری و شناسایی مقادیر مهم تنش مورد استفاده قرار می‌گیرد.

محور عمودی این منحنی دو بعدی، مقادیر تنش و محور افقی آن، کرنش‌های ناشی از تنش را نمایش می‌دهد.

نقاط مهم در منحنی تنش-کرنش عبارت هستند از:

• P: حد تناسب
• E: حد الاستیک
• Y: نقطه تسلیم
• U: مقاومت نهایی
• F: شکست

در ادامه، به معرفی انواع تنش مرتبط با خواص مکانیکی مواد در منحنی تنش-کرنش می‌پردازیم.

تنش الاستیک چیست؟

«تنش الاستیک» (Elastic Stress)، تنشی است که باعث تغییر شکل موقت ماده می‌شود. در منحنی تنش-کرنش هر ماده، محدوده‌ای با عنوان محدوده الاستیک وجود دارد (تنش‌های کوچک‌تر از حد الاستیک). در صورتی که تنش حاصل از بارگذاری، در این محدوده قرار داشته باشد، شکل ماده پس از باربرداری به حالت اول بازمی‌گردد.

به عنوان مثال، یک فنر را در نظر بگیرید که با اعمال نیرو، جمع یا باز می‌شود. اگر نیروی اعمال شده، تنشی کمتر از تنش الاستیک را به وجود بیاورد، پس از حذف نیرو، تغییری در شکل فنر رخ نمی‌دهد.

تنش پلاستیک چیست؟

«تنش پلاستیک» (Plastic Stress)، تنشی است که باعث تغییر شکل دائمی یک ماده نسبت به شکل اولیه آن می‌شود. اگر بارهای اعمال شده بر یک ماده، تنش‌هایی بزرگ‌تر از تنش در محدوده الاستیک را به وجود بیاورند، شکل ماده پس از باربرداری به حالت اول بازنمی‌گردد و مقداری کرنش در آن باقی می‌ماند.

به عنوان مثال، یک میله فلزی نازک را در نظر بگیرید. اگر این میله را خم کنیم و سپس آن را کنار بگذاریم، شکل آن به حالت اولیه بازنمی‌گردد. به عبارت دیگر، میله تحت تاثیر تنش و تغییر شکل پلاستیک قرار می‌گیرد.

تنش تسلیم چیست؟

«تنش تسلیم» (Yield Stress)، تنشی است که مرز بین تغییر شکل الاستیک و پلاستیک را مشخص می‌کند. تنش‌های کوچک‌تر از تنش تسلیم، به عنوان تنش الاستیک در نظر گرفته می‌شوند. به محض عبور از تنش تسلیم (نقطه تسلیم در منحنی تنش-کرنش)، تغییر شکل پلاستیک در ماده به وجود می‌آید. در طراحی قطعات مکانیکی، تنش تسلیم به عنوان آخرین تنش مجاز برای محاسبه ضریب ایمنی در نظر گرفته می‌شود.

در مثال میله فلزی، اگر میله تحت بارگذاری، به طور دائمی خم نشود، یعنی تنش ایجاد شده در آن کمتر از تنش تسلیم بوده است. توجه داشته باشید که در بسیاری از مواد، فاصله بین حداکثر تنش الاستیک (مرز تنش الاستیک با تنش پلاستیک) تا تنش تسلیم، بسیار کم است. به همین دلیل، این بازه در این مواد به صورت یک خط افقی نمایش داده می‌شود. در طراحی‌های مهندسی می‌توان فاصله بین حداکثر تنش الاستیک و تنش تسلیم را نادیده گرفت.

تنش نهایی چیست؟

«تنش نهایی» (Ultimate Stress)، بیشترین تنشی است که یک ماده می‌تواند پیش از شکست تحمل کند. این تنش، در شرایط بارگذاری کششی اندازه‌گیری می‌شود. تنش نهایی، یک مفهوم تئوری است که به منظور بیان حداکثر تنش قابل تحمل توسط یک ماده اشاره می‌کند. محاسبه این تنش، معمولا طی آزمایش مقاومت کششی صورت می‌گیرد.

تنش شکست چیست؟

در کنار مفهوم تنش نهایی، مفهومی با عنوان «تنش شکست» (Failure Stress) نیز وجود دارد. این مفهوم، بر روی تنش در نقطه واقعی شکست (لحظه دقیق وقوع شکست) تمرکز می‌کند. در اغلب مواد، فاصله بین تنش نهایی و تنش شکست، قابل اغماض است. به دلیل طراحی مواد برای به‌کارگیری در محدوده تنش‌های کوچک‌تر از تنش تسلیم، آشنایی با تنش نهایی و شکست، بیشتر از جنبه کاربردی، جنبه پژوهشی دارد.

تنش مهندسی چیست؟

«تنش مهندسی» (Engineering Stress) یا «تنش اسمی» (Nominal Stress)، تنشی است که با فرض ثابت بودن سطح مقطع ماده در حین بارگذاری محاسبه می‌شود. این تنش، در محاسبه معیارهای ایمنی در طراحی‌های مهندسی مورد استفاده قرار می‌گیرد. طراحان با محاسبه تنش مهندسی و خصوصیات مکانیکی نظیر مقاومت تسلیم و مقاومت نهایی، رفتار مواد در شرایط بارگذاری مختلف را تحلیل کرده و از باقی ماندن آن‌ها در محدوده الاستیک اطمینان حاصل می‌کنند.

 

تنش واقعی چیست؟

«تنش واقعی» (True Stress) یا «تنش عملیاتی» (Operational Stress)، تنشی است که در حین بارگذاری در ماده به وجود می‌آید. برخلاف تنش مهندسی، تنش واقعی بدون فرض ثابت بودن سطح مقطع در حین بارگذاری محاسبه می‌شود.

در واقعیت، هنگام اعمال بار به یک ماده، سطح مقطع آن تغییر می‌کند. به عنوان مثال، اگر یک میله را تحت بارگذاری کششی قرار دهیم، سطح مقطع آن در حین اعمال بار، کاهش می‌یابد. به این ترتیب، با توجه به فرمول تنش محوری (تقسیم نیرو بر سطح)، میزان تنش داخلی بیشتر می‌شود. البته این تغییر در سطح مقطع، معمولا زمانی رخ می‌دهد که میزان تنش از تنش‌های الاستیک و پلاستیک عبور کرده باشد.

تصویر بالا، تفاوت منحنی تنش-کرنش یک ماده را با فرض ثابت بودن سطح مقطع (منحنی مهندسی) و بدون فرض ثابت بودن سطح مقطع (منحنی واقعی) را نمایش می‌دهد. تنش‌های روی منحنی واقعی، تنش‌های واقعی هستند. البته در بسیاری از مواد مهندسی، تنش‌های مهندسی و واقعی، تفاوت قابل‌توجهی ندارد. این تفاوت، بیشتر در تنش نهایی و لحظه شکست به چشم می‌آید. به همین دلیل و به دلیل پیچیده بودن اندازه‌گیری و محاسبه تنش واقعی، طراحان به استفاده از تنش مهندسی و اعمال ضریب ایمنی بسنده می‌کنند.

انواع تنش بر اساس تغییر در طول زمان

یکی از معیارهای دسته‌بندی انواع تنش، نحوه تغییر بارهای به وجود آورنده آن‌ها در طی فرآیند بارگذاری است. بر این اساس، تنش‌ها به دو دسته استاتیک و دینامیک تقسیم می‌شوند.

تنش استاتیک چیست؟

«تنش استاتیک» (Static Stress)، به دلیل قرارگیری ماده در معرض نیروها یا بارهایی به وجود می‌آید که در گذر زمان تغییر نمی‌کنند یا سرعت اعمال آن‌ها بسیار کم است. به عنوان مثال، جاذبه زمین را در نظر بگیرد. نیروی جاذبه، یک نیروی ثابت است که به وزن ماده بستگی دارد. اگر یک جسم را بر روی یک صندلی قرار دهید، وزن جسم (نیروی ثابت) به سطح صندلی اعمال می‌شود. این وزن، یک تنش استاتیک را در صندلی به وجود می‌آورد.

اعمال تدریجی و آرام نیرو بر سطح نیز باعث به وجود آمدن تنش استاتیک می‌شود. به عبارت دیگر، اگر میزان نیرو یا بار اعمال شده به ماده، با یک شیب ملایم و ثابت نسبت به زمان تغییر کند (شتاب بارگذاری صفر باشد)، تنش از جنس استاتیک خواهد بود. در بسیاری از حوزه‌های مهندسی نظیر سازه و ژئوتکنیک، پایداری المان‌ها در شرایط تنش استاتیک مورد تحلیل قرار می‌گیرند. به خاطر داشته باشید که تنش داخلی نمونه‌های مورد آزمایش در آزمون‌های مقاومت فشاری و کششی، از نوع استاتیک محسوب می‌شود.

تنش دینامیک چیست؟

«تنش دینامیک» (Dynamic Stress)، به دلیل قرارگیری ماده در معرض نیروها یا بارهایی به وجود می‌آید که در گذر زمان تغییر می‌کنند یا با سرعت زیادی اعمال می‌شوند. ارتعاش و ضربه، از متداول‌ترین منابع ایجاد تنش دینامیک هستند. به عنوان مثال، لحظه برخورد توپ تنیس به راکت را در نظر بگیرید. در این لحظه، یک نیروی ناگهانی به توپ وارد می‌شود و جهت حرکت آن را تغییر می‌دهد. تنش حاصل از برخورد راکت به توپ، ماهیت دینامیک دارد.

تحلیل تنش‌های دینامیک، در حوزه‌های مختلف مهندسی بخصوص مهندسی مکانیک و عمران کاربرد دارد. در گرایش‌های مختلف مهندسی مکانیک، با مطالعه بر روی تنش‌های دینامیک قطعات مکانیکی، خودروها، هواپیماها و غیره، از عملکرد صحیح و ایمن آن‌ها در برابر بارهای ارتعاشی، ضربه‌ای و دیگر بارهای دینامیکی اطمینان حاصل می‌کنند. در گرایش‌های مختلف مهندسی عمران، طراحی سازه‌ها را با در نظر گرفتن بارهای حاصل از زلزله انجام می‌دهند.

چگونه انواع تنش را تحلیل کنیم؟

مهندسانی که وظیفه طراحی قطعات مکانیکی و سازه‌های تحت بارگذاری را بر عهده دارند، ضمن آشنایی با مفهوم تنش، باید بر روی روش‌های تحلیل انواع تنش نیز تسلط داشته باشند. به طور کلی، روش‌های تحلیل تنش به دو دسته آزمایشگاهی و ریاضی تقسیم می‌شوند. روش آزمایشگاهی، با تهیه نمونه استاندارد، اعمال بارگذاری توسط دستگاه‌ها و ثبت عکس‌العمل نمونه توسط تجهیزات مخصوص انجام می‌گیرد. روش‌های ریاضی، با استفاده از روش‌های تحلیلی (معادلات دیفرانسیل) یا عددی (روش المان محدود و غیره) اجرا می‌شوند. بسیاری از شرکت‌ها، به دنبال مهندسان و طراحانی هستند که با این روش‌ها، مخصوصا روش عددی و نرم‌افزارهای کامپیوتری اجرای آن‌ها آشنا باشد.

«اَنسیس» (ANSYS) در حوزه‌های مهندسی سازه، سیالات، الکترومغناطیس و غیره، «آباکوس» (Abaqus) در حوزه‌های خودروسازی، هوافضا، عمران و غیره، «سزار ۲» (CAESAR 2) در حوزه پایپینگ صنایع نفت، پتروشیمی و نیروگاه‌ها، «سالیدورک» (SolidWorks) در حوزه طراحی و تولید قطعات، «ایتبس» (ETABS) در حوزه مهندسی سازه و «اسلاید» (Slide) در حوزه ژئوتکنیک، از نرم‌افزارهای تخصصی مهم در حوزه‌های مربوط به خود هستند. فرادرس، در رابطه با هر یک از این نرم‌افزارها، چندین فیلم آموزشی جامع و کاربردی را تهیه کرده است که می‌توانند شما را در تسلط بر روی این مهارت تخصصی و قدم گذاشتن در مسیر پیشرفت شغلی کمک کنند. لینک مشاهده این نرم‌افزارها در ادامه آورده شده است:

• مجموعه فیلم‌های آموزش انسیس ANSYS فرادرس
• مجموعه فیلم‌های آموزش‌ آباکوس ABAQUS فرادرس
• فیلم آموزش تحلیل تنش پایپینگ با نرم افزار سزار Caesar فرادرس
• مجموعه فیلم‌های آموزش سالیدورکس SOLIDWORKS فرادرس
• مجموعه فیلم‌های آموزش ایتبس ETABS فرادرس
• فیلم آموزش تحلیل پایداری شیب با نرم افزار اسلاید Slide فرادرس

دیگر انواع تنش: معرفی حالت های خاص انواع تنش

انواع تنش، به مواردی که در بخش‌های قبل به آن‌ها اشاره کردیم محدود نمی‌شوند. برخی از تنش‌ها، در شرایط خاص به وجود می‌آیند. در آخرین بخش این مطلب از مجله فرادرس، قصد داریم به معرفی حالت‌های خاص انواع تنش از جمله تنش حرارتی، تنش لهیدگی، تنش پسماند، تنش خستگی، تنش استوانه‌ای و تنش بیومکانیکی بپردازیم.

تنش حرارتی چیست؟

«تنش حرارتی» (Thermal Stress)، یکی از مهم‌ترین انواع تنش‌های خاص است که بر اثر تغییرات دمایی شدید یا غیریکنواخت ماده به وجود می‌آید. برای درک نوحه به وجود آمدن این تنش، یک مثال معروف را با هم مرور می‌کنیم. یک لیوان بسیار داغ را در نظر بگیرید. اگر این لیوان را در همین حالت (دمای بالا)، به زیر آب بسیار سرد ببریم، به احتمال زیاد شاهده شکسته شدن لیوان خواهیم بود. دلیل رخ دادن این پدیده، تنش حرارتی است.

دما، یکی از عوامل موثر بر انرژی جنبشی مولکول‌های ماده است. هر چه دما بالاتر باشد، جنب و جوش ذرات تشکیل‌دهنده ماده بیشتر می‌شود و ذرات از یکدیگر فاصله می‌گیرند (انبساط گرمایی). در صورت کاهش دما، جنب و جوش ذرات کاهش می‌یابد و ذرات به یکدیگر نزدیک می‌شوند (انقباض گرمایی). اگر ماده‌ای با دمای بالا، در معرض کاهش دمای سریع و شدید قرار بگیرد، مولکول‌های سطح بیرونی آن شروع به نزدیک شدن به یکدیگر می‌کنند. این در حالی است که مولکول‌های داخل ماده، به دلیل بالا بودن دما، از یکدیگر فاصله دارند. بنابراین، این مولکول‌ها در برابر انبساط مولکول‌های سطحی مقاومت می‌کنند. به دلیل این کشمکش در میان ذرات داخلی ماده، تنش به وجود می‌آید. در صورت افزایش ناگهانی ماده‌ای با دمای پایین یا تغییر غیریکنواخت دما نیز فرآیندی مشابه رخ می‌دهد.

مطالعه تنش‌های حرارتی، از اهمیت بالایی در حوزه‌های مختلف مهندسی برخوردار است. به عنوان مثال، مهندسان مکانیک، وظیفه طراحی موتورها و توربین‌هایی را برعهده دارند که باید دماهای بسیار بالا و تغییرات دمایی شدید را تحمل کنند. مهندسان عمران، طرلحی سازه‌هایی را انجام می‌دهند که هنگام تغییر فصل، با تغییرات دمایی مواجه می‌شوند.

تنش لهیدگی چیست؟

«تنش لهیدگی» (Bearing Stress) یا «تنش تماسی» (Contact Stress)، تنشی است که بر اثر ایجاد فشار در محل تماس مستقیم دو جسم به وجود می‌آید. این نوع تنش، با تنش فشاری تفاوت دارد. تنش لهیدگی، یک تنش موضعی در نظر گرفته می‌شود. به عنوان مثال، هنگامی که پای خود را بر روی زمین قرار می‌دهید، بین پا و سطح زمین، یک تنش تماسی شکل می‌گیرد. یک مثال تخصصی‌تر از تنش تماسی، تنش موجود در سطح تماس بین یک میخ و دو صفحه‌ای است که توسط میخ کنار یکدیگر قرار گرفته‌اند.

تنش پسماند چیست؟

هنگامی که یک ماده در معرض تنش‌های بزرگ‌تر از حد الاستیک قرار می‌گیرد، «تنش پسماند» (Residual Stress) در آن به وجود می‌آید. به عبارت دیگر، تغییر شکل پلاستیک باعث ایجاد این نوع تنش می‌شود. تغییرات دمایی بیش از حد، تغییر فاز و مخصوصا فرآیندهای مکانیکی، از دلایل اصلی به وجود آمدن تنش پسماند هستند. این نوع از انواع تنش را می‌توان در قطعات جوشکاری شده مشاهده کرد.

تنش‌های پسماند به روش‌های مختلفی نظیر روش مخرب (کانتور، شیارزنی)، روش نیمه‌مخرب (حفاری گمانه عمیق، حفاری گمانه مرکزی) و روش غیرمخرب (پراش نوترونی، پراش اشعه ایکس و پراش سنکترون اشعه ایکس) انجام می‌شود. این تنش‌ها می‌توانند مفید یا مضر باشند. به عنوان مثال، برخی از تکنیک‌های اعمال تنش پسماند، به منظور تقویت استحکام سطوح شکننده مورد استفاده قرار می‌گیرند. با این وجود، در اغلب موارد، تنش‌های پسماند، اثرات مخربی بر روی یکپارچگی سازه یا قطعه دارند. برخی از تنش‌های ناخواسته، بر روی خستگی ماده نیز تاثیر می‌گذارند.

تنش خستگی چیست؟

هنگام قرارگیری یک ماده در برابر تنش‌های متناوب و تکراری، استحکام نهایی آن ماده به مرور زمان کاهش می‌یابد. به این ترتیب، پس از گذشت زمان، در صورت اعمال بارهای کمتر از مقاومت نهایی، ماده می‌شکند. به این پدیده در مقاومت مصالح، «خستگی» (Fatigue) می‌گویند.

بسیاری از قطعات مکانیکی نظیر قطعات خودروها، در معرض تنش‌های متناوب و خستگی قرار می‌گیرند. در مهندسی عمران، پل‌ها، از شناخته شده‌ترین سازه‌های مستعد خستگی هستند. در مجموع، طراحی قطعات و سازه‌های مهندسی در شرایط بارگذاری و باربرداری مداوم، نیازمند مطالعه تنش‌های ناشی از خستگی و اتخاذ تصمیمات مناسب برای مقابله با آن‌ها است.

تنش استوانه ای چیست؟

«تنش استوانه‌ای» (Cylinder stress)، تنشی است که در اجسام استوانه‌ای شکل به وجود می‌آید. توزیع تنش در اجسام استوانه‌ای، دارای تقارن چرخشی است. به عبارت دیگر، اگر یک جسم استوانه‌ای تحت بارگذاری را نسبت به یک محور ثابت دوران دهیم، تغییری در وضعیت تنش‌های داخلی آن رخ نمی‌دهد.

انواع تنش‌های استوانه‌ای، عبارت هستند از:

• «تنش حلقوی» (Hoop Stress): تنش مماس بر دیواره جسم استوانه‌ای (تنش محیطی)
• «تنش محوری» (Axial Stress): تنش موازی با محور جسم استوانه‌ای
• «تنش شعاعی» (Radial Stress): تنش هم‌صفحه با محور جسم استوانه‌ای و عمود بر این محور

تنش بیومکانیکی چیست؟

«تنش بیومکانیکی» (Biomechanical Stress)، تنشی است که بر اثر اعمال نیرو بر بافت‌های زنده (مانند بافت بدن انسان) به وجود می‌آید. به عنوان مثال، یک انسان را در نظر بگیرید که در حال طناب زدن است. این حرکت، باعث ایجاد تنش در اعضای مختلف بدن او از جمله استخوان‌ها، عضلات و غیره می‌شود.

مطالعه تنش‌های ایجاد شده در بافت‌های موجودات زنده، امکان طراحی و ساخت اعضای مصنوعی را فراهم می‌کند. علاوه بر این، بسیاری از ورزشکاران می‌توانند با بهره‌گیری از تحقیقات انجام شده بر روی تنش‌های بیومکانیکی، عملکرد خود را بهبود ببخشند.