27.1 : Energia odkształcenia

Energia odkształcenia to podstawowe pojęcie w dziedzinie inżynierii materiałowej i inżynierii konstrukcyjnej, opisujące energię pochłanianą przez materiał lub konstrukcję, gdy ulega ona odkształceniu pod obciążeniem.

Rozważmy pręt zamocowany na jednym końcu i poddany działaniu siły osiowej na wolnym końcu. Ta siła osiowa powoduje naprężenie w pręcie, co prowadzi do jego wydłużenia. Wraz ze wzrostem siły osiowej wzrasta również wydłużenie pręta, co ilustruje bezpośredni związek pomiędzy przyłożoną siłą a wynikającym z tego odkształceniem. To zachowanie można przedstawić graficznie za pomocą wykresu obciążenia i odkształcenia.

Praca wykonana przez siłę osiową w celu niewielkiego wydłużenia pręta jest równa iloczynowi siły i odpowiedniego wydłużenia. Graficznie praca ta odpowiada obszarowi pod krzywą obciążenia-odkształcenia dla danego wydłużenia. Aby obliczyć całkowitą pracę wykonaną nad prętem przy dowolnym wydłużeniu, należy całkować równanie siła-wydłużenie po granicach wydłużenia. Ta całkowita praca reprezentuje energię wprowadzoną do układu, która jest magazynowana jako energia odkształcenia. W granicy sprężystości materiału energia odkształcenia U zmagazynowana w materiale w wyniku odkształcenia sprężystego jest proporcjonalna do kwadratu wydłużenia.

Koncepcja energii odkształcenia pozwala inżynierom określić ilościowo zdolność pochłaniania energii przez materiał lub komponent, co jest niezbędne do oceny jego zdolności do wytrzymywania obciążeń bez ulegania trwałemu odkształceniu lub uszkodzeniu. Energia odkształcenia odgrywa również kluczową rolę w różnych zastosowaniach inżynieryjnych, takich jak projektowanie amortyzatorów, urządzeń magazynujących energię oraz w analizie sił uderzenia.