اختبار الشد لماذا يستخدم؟ وما علاقة قانون هوك؟

ما هو اختبار الشد ولماذا يستخدم؟

يُعدّ اختبار الشد من الاختبارات الميكانيكية الشائعة لمعرفة مدى مقاومة مادة معينة للكسر، أو لمعرفة مقدار الشدّ أو التمدد الذي تتحمّله مادة أو عيّنة معيّنة قبل أن تُكسر أو تتهشم، ويكون الاختبار عبارة عن سحب ضمن معايير مُتفق عليها وبأساليب علمية دقيقة،^[١][٢] كما أنّ هذه الاختبارات يُمكن أن تُجرى في ظروف محددة مدروسة كالتسخين أو التبريد لتحديد خصائص الشد للمادة،^[٣] ويُشار إلى أنّ اختبار الشد يُستخدم هندسياً لعدّة أمور، ومنها ما يأتي:^[١]

• يُعدّ اختبار الشد اختباراً مهماً لمعرفة جودة المواد المُصنّعة ومراقبتها، وهذا ما ساعد الشركات على تحديد خصائص المواد، وتطوير تصنيعها.
• يُعرف من خلال الاختبار كيفية تفاعل المادة مع القوى المتغيرة.
• تُحدّد من خلال اختبار الشد عدّة خصائص للمواد الهندسية، منها؛ قوة الشد القصوى، وقوة الإخضاع، والإجهاد الحقيقي، والإجهاد والضغط الهندسي، ومعامل المرونة، وإجهاد الكسر، ومعامل الصلابة.
• يوفّر اختبار الشد بيانات عن قوة وليونة المعادن تحت قوى الشد أحادية المحور، إذ إنّ معرفة قوة الشد للمعدن ضروريةً لقياس قدرته على تحمّل أحمال الشد دون حدوث أي مشكلات أو أعطال، وهذا ما يُعدّ عاملاً مهماً في عملية تشكيل المعادن لأنّ المعادن الهشة تكون أكثر عرضةً للتشوّه.

ما هو قانون الهوك؟ وما علاقته بقانون الشد؟

وضع نص القانون العالم روبرت هوك في عام 1660 م بعد الملاحظات والدراسات التي أجراها على المواد الصلبة، وينص القانون على أنّ الإزاحة التي تتعرض لها الجزيئات مادة ما والتي تسبب التشوه في الحجم والشكل الأصليين، تتناسب طردياً مع مقدار القوة أو الضغط الذي تعرّضت له، إذ تحاول المادة المطبق عليها الجهد أن تعود لشكلها الأصلي، مثل ما كانت عليه قبل إخضاعها للقوة، ولذا سمّي أيضًا بقانون المرونة نسبة لسلوك المادة، ويُمكن التعبير عن ذلك رياضياً بالمعادلة الآتية: F = kx.

إذ ترمز X إلى التغيّر في الطول، و F القوة الواقعة على الجسم، و K ثابت الإزاحة الذي يعتمد على نوع المادة، وعلى أبعادها وشكلها.^[٤]

تختلف أنواع القوى المطبقة على المواد تبعًا لاتجاه تطبيقها على المواد وهي؛ قوة التمدد (أي سحب المادة)، وقوة الضغط، وقوة الانحناء (أي ثني المادة)، وهذه القوى هي ما يسبب التشوه المختلف في الأحجام والأشكال، ووفقًا لقانون هوك، فإن العلاقة طردية بين التشوه والإجهاد، فكلما كانت القوى المطبقة على المواد أكبر، زاد مقدار التشوه، أي أن الجزيئات والذرات والأيونات المكونة للمادة تتحرك وتنزاح، فمثلاً ووفقاً لقانون هوك عندما يتعرض سلك معدني لإجهاد شد فإنه يتمدد، وكلما زادت نسبة الإجهاد زاد التمدد.^[٤]

يدرس قانون هوك سلوك المادة، ومدى التغير في شكلها وحجمها عند تطبيق إجهاد معين عليها ضمن الحد المرن للمادة (أي الحد الذي تستطيع فيه المواد الصلبة أن تعود لشكلها وحجمها الأصليين عند إزالة القوى المطبقة)،^[٥] أمّا عن قانون الشد، فيقيس مقدار تحمل المادة للإجهاد حتى تصلّ لحد الكسر أو الانهيار أو التشوه الدائم، الحد الذي لا تعود فيه المادة لحجمها وشكلها الأصليين، ويسمّى بالحد المرن للمادة، أي أن الروابط بين الجزيئات للمادة تتفكك بنسبة عالية، وينتج عنها ما يعرف بالتشوه البلاستيكي.^[٦][١]

ما أهمية قياس قوة الشد؟

لقياس قوة الشد أهمية في عدة مجالات صناعية، ومن أبرزها ما يأتي:^[٧]

• يُعدّ قياس قوة الشد مهماً لضمان جودة المكونات والمواد والمنتجات النهائية الهندسية للشركات في نطاق واسع من الصناعات.
• يُستخدم في مجال صناعة الطائرات، والأجزاء التي تتكون منها لاختبار مدى تحمّل هياكل الطائرات للضغط، وتطبق قوى القص (مدى احتمال المادة للضغط القصي الجانبي) على البراغي والصواميل.
• يُستخدم في صناعة السيارات، لقياس جودة جميع مكونات السيارة الداخلية والخارجية، مثل؛ قوالب امتصاص الصدمات، والمرايا، وغيرها.
• يُستخدم في صناعة علب المشروبات، مثل قياس مدى تحمل العلب للسحب، وتحمل التقشير للعلامات المختومة.
• يُستخدم في صناعة مواد البناء، مثل معرفة مدى ترابط المواد اللاصقة، ومدى تحمل مواد البناء والعناصر الهيكلية للإجهاد، مثل: العوارض الفولاذية.
• يُستخدم في صناعة الكهرباء والإلكترونيات، مثل تحديد مقدار ونسبة تحمل الموصلات للسحب، وغيرها من قوى الشد.
• يُستخدم في صناعة الأجهزة الطبية، مثل اختبار قوة شد الإبر والأنابيب الطبية وأدوات الخياطة.
• يُستخدم في صناعة التغليف، مثل اختبار كفاءة اللاصق، والنسبة المسموح فيها لاستطالة العبوات البلاستيكية.
• يُستخدم في صناعة الورق والكرتون، لتحديد متانة الورق والكرتون، وقابلية تشغيل عبوات الورق.
• يُستخدم في صناعة الأدوية، وذلك في اختبار قوة سحب أغطية علب الدواء.
• يُستخدم في صناعة البلاستيك والمطاط واللدائن، لتحديد نسبة الشد التي يمكن أن تتحمله قبل أن تتشوه، وهذه ما يزيد في كفاءتها.
• يُستخدم في صناعة السلامة والصحة واللياقة والترفيه، مثل: اختبار قوة الشد لشبكة الحماية، ولصناعة أسلاك مضرب لها قوة مرونة عالية.
• يُستخدم في صناعة الملابس، من الأزرار و السحابات أو طبقات الملابس.
• يزيد من كفاءة تصنيع الشركات للمواد، إذ إن اختبارات الشد تعطي الشركة معلومات عن مدى تحمل منتجاتهم للإجهاد، وتساعدهم في تحسينها لتلائم مستوى الشركة والهدف الذي صُنعت له.^[٨]

اختبارات أخرى لقياس قوة الشد

تُقاس قوة الشد بعدة اختبارات منها ما يأتي:^[٣]

• اختبار قابلية المواد للسحب والطرق، يقيس هذا الاختبار مدى قدرة المادة على تحمّل التشوه دون حدوث كسر أو تشقق، وهذا ما يساعد في تقييم جودة المواد، فعندما تظهر المواد أثناء الانحناء المستمر تشقق، أو آثار سطحية بنسبة عالية فيدل هذا على جودة منخفضة.
• اختبار الاستطالة، أي نسبة زيادة في طول العينة، وتقاس نسبة استطالة المواد، بقسمة بمقدار الزيادة في طول العيّنة المتعرّضة للإجهاد بعد التشوه أو الكسر، على الطول الأصلي للعينة قبل تعرضها للإجهاد، ويمكن تطبيق اختبار الاستطالة في الحد المرن واللدن للمادة، وتتناسب طريًا معهما، إذ يظهر المطاط وبعض المواد البلاستيكية قدرةً عاليةً على الاستطالة قبل الكسر.

يعد اختبار الشد، من الاختبارات الميكانيكية التي تطبق على المواد الصلبة، لتحديد نسبة تحمل ومقاومة جزيئاتها للتشوه، أي قبل أن تكسر وتتهشم، وهذا ما يساعد المصانع في زيادة كفاءة تصنيع المواد، وتساعد المهندسين في اختيار أفضل المواد للمشاريع المختلفة، ويعد قانون هوك من القوانين التي تدرس سلوك المواد عند تعرضها للإجهاد عند الحدن المرن للمادة، أي الحد الذي ترجع المادة لحجمها وشكلها الأصليين بعد إزالة القوى المطبقة.

المراجع

1. ^ ^{أ ب ت} "Tensile Testing", WESTMORELAND, Retrieved 21/6/2021. Edited.
2. ↑ " What is Tensile Testing?", TWI, Retrieved 21/6/2021. Edited.
3. ^ ^{أ ب} "Tensile Strength ", NTS, Retrieved 21/6/2021. Edited.
4. ^ ^{أ ب} "Hooke's law", Britannica, 13/1/2020, Retrieved 21/6/2021. Edited.
5. ↑ "Hookes Law Equation Experiment", byjus, Retrieved 22/6/2021. Edited.
6. ↑ "What is Hooke's Law?", Khan Academy, Retrieved 22/6/2021. Edited.
7. ↑ Christopher McFadden (9/12/2020), "Understanding Tensile Strength, Its Importance in Engineering", interesting engineering, Retrieved 21/6/2021. Edited.
8. ↑ " What is Tensile Testing? The Theory and Applications", AZO materials, 22/11/2010, Retrieved 21/6/2021. Edited.