ما هو مفهوم الإجهاد؟

يمكن تعريف إجهاد القص بأنه القوة التي تميل إلى إحداث تشوه للمادة عن طريق الانزلاق على طول مستوى أو طائرات موازية للضغط المفروض، حيث إن القص الناتج له أهمية كبيرة في الطبيعة، حيث يرتبط ارتباطًا وثيقًا بحركة منحدر مواد الأرض والزلازل، وقد يحدث إجهاد القص في المواد الصلبة أو السائلة؛ في الأخير يتعلق بلزوجة السوائل.

حيث أن الإجهاد في العلوم الفيزيائية والهندسة، إذ أن القوة لكل وحدة مساحة داخل المواد التي تنشأ من القوى المطبقة خارجيًا، أو التسخين غير المتكافئ، أو التشوه الدائم والذي يسمح بالوصف الدقيق والتنبؤ بالسلوك المرن والبلاستيك والسوائل، حيث يتم التعبير عن الضغط على أنه حاصل قسمة قوة مقسومة على منطقة.

أنواع الإجهاد:

يوجد هناك أنواع كثيرة من التوتر، ينشأ الضغط الطبيعي من القوى المتعامدة مع منطقة المقطع العرضي للمادة، في حين ينشأ إجهاد القص من قوى موازية لمستوى منطقة المقطع العرضي وتقع فيها، وإذا تم سحب قضيب بمساحة مقطع عرضي 4 بوصات مربعة (26 سم مربعًا) بالطول بقوة 40.000 رطل (180.000 نيوتن) في كل طرف، فإن الضغط الطبيعي داخل الشريط يساوي 40.000 رطل مقسومًا على 4 مربعات بوصة، أو 10000 رطل لكل بوصة مربعة (psi ؛ 7000 نيوتن لكل سم مربع).

هذا الضغط الطبيعي المحدد الناتج عن التوتر يسمى إجهاد الشد، وإذا تم عكس القوتين؛ وذلك لضغط الشريط على طوله، فإن الضغط الطبيعي يسمى إجهاد الضغط، وإذا كانت القوى متعامدة في كل مكان على جميع أسطح المادة، كما في حالة جسم مغمور في مائع يمكن ضغطه بنفسه، فإن الضغط الطبيعي يسمى الضغط الهيدروستاتيكي، أو ببساطة الضغط، حيث الضغط تحت سطح الأرض الذي يضغط الأجسام الصخرية إلى كثافات كبيرة يسمى الضغط الصخري.

ينتج إجهاد القص في المواد الصلبة عن إجراءات مثل التواء قضيب معدني حول محور طولي، كما هو الحال في شد المسمار، إذ ينتج إجهاد القص في السوائل عن إجراءات مثل تدفق السوائل والغازات عبر الأنابيب، وانزلاق سطح معدني فوق مادة تشحيم سائلة، ومرور طائرة عبر الهواء.

إجهادات القص مهما كانت صغيرة المطبقة على السوائل الحقيقية تنتج تشوهًا مستمرًا أو تدفقًا، حيث تتحرك طبقات السائل فوق بعضها البعض بسرعات مختلفة مثل: البطاقات الفردية في مجموعة أوراق اللعب المنتشرة لإجهاد القص.

يؤدي التفاعل مع الضغوط داخل المواد الصلبة المرنة إلى إعادتها إلى شكلها الأصلي عند إزالة القوى المطبقة، بحيث أن إجهاد المحصول الذي يشير إلى الانتقال من السلوك المرن إلى السلوك البلاستيكي، هو الحد الأدنى من الإجهاد الذي تتعرض فيه المادة الصلبة للتشوه الدائم أو التدفق البلاستيكي، دون زيادة كبيرة في الحمل أو القوة الخارجية، كما تُظهر الأرض استجابة مرنة للضغوط التي تسببها الزلازل في الطريقة التي تنتشر بها الموجات الزلزالية، في حين أنها تخضع لتشوه بلاستيكي تحت السطح وتحت ضغط صخري كبير.

معامل القص:

يعد معامل القص ثابت عددي، يصف الخصائص المرنة لمادة صلبة في ظل تطبيق القوى الداخلية المستعرضة مثل: التي تنشأ على سبيل المثال في الالتواء كالتواء أنبوب معدني حول محوره الطولي.

داخل مثل هذه المادة، يتم تشويه أي حجم مكعب صغير قليلاً، بحيث ينزلق وجهان موازيان لبعضهما البعض مسافة صغيرة ويتغير وجهان آخران من مربعات إلى أشكال ماسية، حيث أن معامل القص هو مقياس لقدرة المادة على مقاومة التشوهات المستعرضة وهو مؤشر صالح للسلوك المرن فقط للتشوهات الصغيرة، وبعد ذلك تكون المادة قادرة على العودة إلى تكوينها الأصلي، كما تؤدي قوى القص الكبيرة إلى التدفق والتشوه الدائم أو الكسر، ويُعرف معامل القص أيضًا بالصلابة.

رياضيا، معامل القص يساوي حاصل إجهاد القص مقسوما على إجهاد القص، حيث إجهاد القص بدوره يساوي قوة القص F مقسومة على المنطقة A الموازية والتي يتم تطبيقها فيها، أو F / A.

إجهاد القص أو التشوه النسبي:

هو مقياس للتغير في الهندسة، ويتم التعبير عنه في هذه الحالة من خلال الدالة المثلثية، الظل (تان) للزاوية θ (ثيتا)، والتي تشير إلى مقدار التغيير في 90 درجة، أو اليمين، زوايا الحجم المكعب التمثيلي الدقيق للمادة غير المقيدة، بحيث رياضيا، يتم التعبير عن إجهاد القص على أنه (tan θ) أو ما يعادله، حسب التعريف، x / y، يمكن التعبير عن معامل القص نفسه رياضيًا، معامل القص = (إجهاد القص) / (إجهاد القص) = (F / A) / (x / y).

هذه المعادلة هي شكل محدد من أشكال قانون مرونة هوك، ونظرًا لأن المقام عبارة عن نسبة وبالتالي بلا أبعاد، فإن أبعاد معامل القص هي أبعاد القوة لكل وحدة مساحة، وفي النظام الإنجليزي يمكن التعبير عن معامل القص بوحدات باوند لكل بوصة مربعة (عادةً ما يتم اختصارها إلى psi)؛ وحدات النظام الدولي المشتركة هي نيوتن لكل متر مربع (N / m2)، كما تبلغ قيمة معامل القص للألمنيوم حوالي 3.5 × 106 رطل / بوصة مربعة، أو 2.4 × 1010 نيوتن / م 2، وبالمقارنة، فإن الفولاذ تحت ضغط القص يكون أكثر صلابة بثلاث مرات من الألمنيوم.