تنش برشی | هوافضای جوان

تنش برشی

شاید آشنا ترین مثال هایی از تنش برشی که با آن مواجه بوده اید بریدن کاغذ با قیچی، یا مرتب کردن ناخن هایتان با سوهان بوده است. این مفهوم در علم مهندسی مکانیک به صورت گسترده بررسی شده است که در این نوشته به معرفی آن می پردازیم.

معرفی

واژه ی تنش برشی، ترکیبی از نیروی اعمالی و بریدن است. تنش برشی، نیروی وارده بر جسم است که باعث می شود لایه های آن جسم، در راستای غیر همسو، روی یکدیگر بلغزند. به هنگام بریدن یک جسم، در واقع به آن تنش برشی وارد می شود. در نوشته های علمی، تنش برشی را با نماد یونانی τ (بخوانید تاو) نشان می دهند و مقدار تغییر شکل جسم به عنوان کرنش شناخته می شود.

همانند تصویر زیر، در واقع اگر نیروی برشی در راستای بردار قرمز رنگ به یک سمت جسم وارد شود، این نیرو باعث ایجاد تنش برشی درون جسم می شود و لایه های جسم را موازی بردار قرمز به حرکت در می آورد.

تصویری از تنش برشی اعمالی بر یک جسم فرضی، بردار قرمز نشان دهنده ی نیروی برشی و بردار آبی مقدار مجموع جابه جایی لایه ها روی همدیگر را نشان می دهد.

 

نیروی برشی

به نیروهایی که در دو راستای مخالف به دو سطح از یک جسم وارد می شود، نیروی برشی می گویند. به عنوان مثال، هنگام وزش باد شدید، نیرویی در جهت مسیر باد به ساختمان وارد می شود. این نیرو به همراه نیرویی که از طرف پی ساختمان به بدنه ی آن وارد می شود، باعث خم شدن ساختمان می شود. نیروی باد به همراه نیروی پی ساختمان در مجموع یک نیروی برشی می باشند. در تصاویر زیر، صورت ساده شده ای از نیروی برشی نشان داده شده است. در شکل اول، حالتی را نشان می دهد که جسم انعطاف پذیری لازم را نداشته و ترک بر داشته است (این مثال شبیه پاره کردن کاغذ می باشد). در تصویر بعدی، این حالت بیشتر در سیالات و مواد قابل انعطاف تر رخ می دهد. با اعمال نیروی برشی، جسم به صورت لایه ای تغییر شکل می دهد.

تصویری از نیروی برشی، بردار های عمود بر جسم در دو راستای مخالف بیانگر نیروی برشی اعمالی به جسم می باشند. این دو نیرو منجر به ایجاد ترک بر روی جسم شده اند.

تصویری از نیروی برشی اعمالی به صفحات بالا و پایین یک جسم. بردار های آبی نشان دهنده ی نیروی برشی اعمالی به جسم می باشند.

 

محاسبه ی تنش برشی

تنش برشی مقداری قابل محاسبه است. این مقدار برابر نیروی برشی اعمالی بر سطح جسم تقسیم بر مساحت جسم است. نکته ی جالب شباهت فشار با تنش برشی است. مقدار فشار برابر نیروی اعمالی عمود بر سطح جسم تقسیم بر مساحت جسم می باشد، اما تفاوت آن با تنش برشی راستای نیروی اعمالی است. در تصاویر زیر تفاوت این دو را می توان واضح تر مشاهده کرد. در شکل اول نحوه ی محاسبه ی فشار نشان داده شده است. در تصویر بعد، نحوه ی محاسبه ی تنش برشی به تصویر در آمده است.

نمایی از نحوه محاسبه ی فشار. در این تصویر می توان مشاهده کرد که راستای بردار نیرو در محاسبه ی فشار عمود بر سطح است.

 

در این تصویر، نحوه ی محاسبه ی تنش برشی به صورت تصویری نشان داده شده است. لازم به ذکر است که راستای بردار نیروی برشی همسوی سطح اعمال شده است.

 

تنش برشی در سیال

به هر سیالی که در کنار یک جسم جامد جریان دارد، تنش برشی وارد می شود. شرط غیر لغزشی در سیال بیان گر این است که سرعت سیال بر روی مرز جامد صفر است. طبق این شرط، اگر جسم جامدی با سیال در ارتباط باشد یا درون آن غوطه ور شود، ذرات سیال در برخورد با سطح جسم به آن چسپیده و سرعت آنها صفر می شود. در تصویر پایین این شرایط نشان داده شده است.

تصویری از شرط بدون لغزش در اندرکنش بین سیال و جسم جامد.

همچنین، در ارتفاعی از مرز جامد، سرعت سیال دوباره به مقدار اولیه خود (سرعت جریان آزاد) می رسد. فاصله ی بین مرز جامد و این ارتفاع خاص را لایه مرزی می نامند. در ناحیه ی لایه مرزی، لایه های سیال به صورت موازی کنار یکدیگر میلغزند. هر لایه سرعت متفاوتی دارد، از روی مرز جسم جامد که سرعت صفر است تا بیشینه ی ارتفاع لایه مرزی سرعت با یک آهنگ خاصی افزایش می یابد. در بین این لایه ها، لزجت نیروی برشی لازم برای ایجاد تنش برشی بین لایه ها را ایجاد می کند.

بدین ترتیب، در سیالات، لزجت عامل اصلی ایجاد تنش برشی است. بسته به مقدار لزج بودن سیال، مقدار نیروی لازم برای ایجاد تنش برشی در سیال تغییر می کند. به عنوان مثال، برای برداشتن یک قاشق عسل (تصویر زیر)، انرژی بیشتری لازم است تا این که به همان مقدار آب برداشته شود.

هرچه لزجت سیال بیشتر باشد، نیروی بیشتری برای ایجاد تنش برشی در سیال لازم است. به عنوان مثال، برای هم زدن عسل نیروی بیشتری به نسبت هم زدن آب نیاز است.

 

منابع

https://www.engineersedge.com/material_science/shear-stress.htm

https://www.quora.com/

https://en.wikipedia.org/wiki/Shear_stress

 


 

 

پاسخ دهید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

لطفا معادله امنیتی را وارد کنید. * Time limit is exhausted. Please reload the CAPTCHA.