- สภาพยืดหยุ่น

สภาพยืดหยุ่น 
สภาพยืดหยุ่น (elasticity)สมบัติของวัตถุที่เปลี่ยนแปลงรูปร่างได้เมื่อมีแรงกระทำ และจะกลับคืนสู่รูปร่างเดิมได้เมื่อหยุดออกแรงกระทำต่อวัตถุนั้น ตัวอย่างวัสดุที่มีสภาพยืดหยุ่น เช่น ฟองน้ำ

สมบัติสภาพยืดหยุ่นของวัสดุ มีประโยชน์ในงานทางช่างและทางอุตสาหกรรมเป็นอย่างยิ่ง เช่น ในการเลือกวัสดุเพื่อใช้เป็นโครงสร้างอาคารสะพาน หรือชิ้นส่วนของเครื่องกล วิศวกรหรือผู้ออกแบบจะต้องพิจารณาสมบัติสภาพยืดหยุ่นของวัสดุที่จะนำมาใช้ประโยชน์ให้เหมาะสมกับงาน วัสดุหลายชนิดมีทั้งสภาพยืดหยุ่นและสภาพพลาสติกในตัวเอง โดยมีสภาพยืดหยุ่นเมื่อแรงกระทำน้อย ๆ และมีสภาพพลาสติกเมื่อมีแรงกระทำมาก ๆ

สภาพยืดหยุ่นของของแข็ง เป็นสมบัติของของแข็งที่มีการเปลี่ยนแปลงรูปร่างเมื่อมีแรงมากระทำ  แบ่งออกเป็น 2 ประเภท  คือ
        1.  สภาพยืดหยุ่น (elasticity)  คือ สมบัติของวัสดุที่มีการเปลี่ยนแปลงรูปร่าง  เมื่อมีแรงมากระทำและสามารถคืนตัวกลับสู่รูปร่างเดิมเมื่อหยุดออกแรงกระทำ    A
        2. สภาพพลาสติก  (plasticity) คือ กรณีวัสดุเปลี่ยนรูปร่างไปอย่างถาวร  โดยผิววัสดุไม่มีการฉีกขาดหรือแตกหัก
        จากการดึงสปริงให้ยืดออก จะพบว่ากราฟระหว่างขนาดของแรงดึงกับความยาวที่สปริงยืดออก จะมีลักษณะดังรูป



    - จุด a คือ ขีดจำกัดการแปรผันตรง (Proportional limit) ซึ่งเป็นตำแหน่งสุดท้ายที่ความยาวสปริงยืดออก แปรผันตรงกับขนาดของแรงดึง
      - จุด b คือ ขีดจำกัดสภาพยืดหยุ่น (Elastic limit) ซึ่งเป็นตำแหน่งสุดท้ายที่สปริงยืดออกแล้วกลับสู่สภาพเดิม แต่แรงดึงไม่แปรผันตรงกับระยะยืด
      - จุด C คือ จุดแตกหัก (Breaking point) หมายถึงตั้งแต่จุด b เป็นต้นไป ถ้าดึงต่อไปก็ถึงจุด c ซึ่งเป็นจุดที่เส้นวัสดุขาด



ความเค้น 
ความเค้น (Stress) เป็นการวัดแรงเฉลี่ยต่อหน่วยพื้นที่ผิวภายในวัตถุแปรรูปซึ่งมีแรงภายในกระทำ ความเค้นเป็นการวัดความเข้มข้นของแรงภายในซึ่งกระทำระหว่างอนุภาพของวัตถุแปรรูปข้ามพื้นที่ผิวจินตนาการ แรงภายในเหล่านี้เกิดขึ้นระหว่างอนุภาพภายในวัตถุดังที่เป็นแรงปฏิกิริยาต่อแรงภายนอกซึ่งกระทำต่อวัตถุ แรงภายนอกต่างก็เป็นแรงพื้นผิวหรือแรงเนื่องจากน้ำหนัก

หน่วยเอสไอ สำหรับวัดความเค้น คือ ปาสคาล (สัญลักษณ์ Pa) ซึ่งมีค่าเท่ากับหนึ่งนิวตัน (แรง) ต่อหนึ่งตารางเมตร (หน่วยพื้นที่) หน่วยของความเค้นคือหน่วยเดียวกันกับความดัน ซึ่งเป็นการวัดอัตราส่วนระหว่างแรงต่อพื้นที่ผิวเช่นกัน



ความเค้น (Stress)  s = F/A เมื่อออกแรงกระทำต่อวัตถุ อัตราส่วนระหว่างแรงกระทำ (F) ต่อ
พื้นที่ (A) เรียกว่า ความเค้น มีหน่วยในระบบเอสไอ เป็น นิวตัน ต่อ ตารางเมตร ความเค้นเป็นปริมาณสเกลาร์ โดยทั่วไปความเค้น มี 2 ชนิด ได้แก่ ความเค้นตามยาว และความเค้นเฉือน

ความเค้นตามยาว (longitudinal stress) แบ่งได้ 2 ชนิด
        - ความเค้นแบบดึง (tensile stress) ซึ่งแรง F กระทำต่อวัตถุในลักษณะดึงให้ยืดออก
        - ความเค้นแบบอัด (compressive stress) ซึ่งแรง F กระทำต่อวัตถุในลักษณะอัดได้หดสั้นลง

ความเค้นเฉือน (shear stress) นั้น แรง F ที่กระทำต่อวัตถุจะทำให้วัตถุบิดเบือนรูปร่างไปจากเดิม





ความเครียด  
ความเครียด (Strain) หมายถึงอัตราส่วนระหว่างรูปร่างที่เปลี่ยนไปต่อรูปร่างเดิม มีหน่วยเป็นเท่าหรือไม่มีหน่วย เป็นความเครียดที่ปรากฏภายใต้แรงที่มากระทำต่อเนื้อของวัสดุ จนวัสดุเกิดรับแรงนั้นใว้ไม่ใหว ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงขนาดและรูปร่างไปในทิศทางของแรงที่มากระทำ เช่น เกิดการยืดตัวออก (Elongation) หรือหดตัวเข้า (Contraction)




ความยืดหยุ่นของวัตถุ 
ความยืดหยุ่นของวัตถุ คือคุณสมบัติการเปลี่ยนรูปร่างของวัตถุเมื่อถูกแรงกระทำ



ความเค้นของวัตถุใดๆ จะแปรผันโดยตรงกับความเครียดของวัตถุนั้น อัตราส่วนระหว่างความเค้นและความเครียดของวัตถุ เรียกว่า ค่าโมดูลัสความยืดหยุ่นของวัตถุ  และมีค่าคงที่สำหรับวัตถุชนิดเดียวกัน



มอดูลัสของยัง  
ค่ามอดูลัสของยัง (Young's modulus) คือค่าโมดูลัสของความยืดหยุ่นเมื่อวัตถุมีการเปลี่ยนแปลงตามความยาว (ทั้งอัดเข้า หรือยืดออก) โดยมอดูลัสสภาพยืดหยุ่น (modulus of elasticty) ของวัสดุต่างชนิดกันจะมีค่าต่างกัน

มอดูลัสของยัง (Young's modulus) หรือ มอดูลัสของสภาพยืดหยุ่น (modulus of elasticity หรือ elastic modulus) เป็นค่าบอกระดับความแข็งแกร่งของวัสดุ ค่ามอดูลัสของยังหาจาก ค่าลิมิดของอัตราการเปลี่ยนแปลงของความเค้น( stress ) ต่อ ความเครียด ( strain ) ที่ค่าความเค้นน้อย สามารถหาจากความชัน ของ กราฟความสัมพันธ์ ความเค้น-ความเครียดที่ได้จาก การทดลองดึง ค่ามอดูลัสของยัง ตั้งชื่อตาม ชาวอังกฤษ โทมัส ยัง ซึ่งเป็นทั้งนักฟิสิกส์ แพทย์ แพทย์นรีเวช และผู้ที่ศึกษาวิชาเกี่ยวกับวัฒนธรรมและวัตถุโบราณของอียิปต์ หน่วย SI ของมอดูลัสของสภาพยืดหยุ่น คือ ปาสกาล (pascal) ค่ามอดุลัสของยัง นั้นมีประโยชน์ใช้ในการคำนวณพฤติกรรมในการรับแรงของวัสดุ ตัวอย่างเช่น สามารถใช้ในการคาดคะเน ความยืดของลวดในขณะรับแรงดึง หรือคำนวณระดับแรงดันที่กดลงบนแท่งวัสดุ แล้วทำให้แท่งวัสดุยวบหักลง ในการคำนวณจริงอาจมีค่าอื่นๆ เกี่ยวข้องด้วย เช่น มอดูลัสของแรงเฉือน (shear modulus) ความหนาแน่น

การคำนวณ มอดุลัสของสภาพยืดหยุ่น หาได้จากการหาร ค่าความเค้น ด้วย ค่าความเครียด



Y = มอดูลัสของยัง มีหน่วยเป็น ปาสกาล (Pa) หรือ นิวตันต่อตารางเมตร (N/m^2)
σ = ความเค้นตามยาว
ε = ความเครียดคามยาว
F = แรง ในหน่วย นิวตัน
A = พื้นที่หน้าตัดรับแรง ในหน่วย ตารางเมตร
∆L = ส่วนที่ยืดออกของวัสดุ ในหน่วย เมตร
L = ความยาวปกติของวัสดุ ในหน่วย เมตร

-  วัสดุชนิดเดียวกันมีมอดูลัสสภาพยืดหยุ่นแบบอื่นๆ ที่นอกเหนือจากมอดูลัสของยัง ได้แก่ มอดูลัสเฉือน (shear modulus) และมอดูลัสเชิงปริมาตร (bulk modulus)
-  มอดูลัสสภาพยืดหยุ่น และขีดจำกัดสภาพยืดหยุ่นเป็นสมบัติเฉพาะตัวของวัสดุ มีประโยชน์มากในด้านวิศวกรรม  วัสดุที่มีค่ามอดูลัสยืดหยุ่นสูง เป็นวัสดุที่สามารถทนต่อแรงภายนอกได้มาก หรือทำให้เปลี่ยนรูปร่างได้ยาก และวัสดุที่มีความเค้นที่มีขีดจำกัดสภาพยืดหยุ่นสูง จะบอกให้ทราบว่าวัสดุนั้นสามารถทนต่อแรงภายนอกได้มากที่สุด เพื่อให้สามารถกลับคืนสู่สภาพเดิมได้


เพิ่มเติมความรู้เื่รื่องสภาพยืดหยุ่น