AFSCHUIFKRACHT: OPPERVLAKTE- EN MASSAKRACHTEN - FYSIEK - 2025

De afschuifkracht is een samengestelde kracht die wordt gekenmerkt doordat ze evenwijdig is aan het oppervlak waarop deze wordt uitgeoefend en de neiging heeft het lichaam te verdelen, waarbij de secties die het resultaat zijn van de snede worden verplaatst.

Het is schematisch weergegeven in figuur 1, waarin een snijkracht wordt uitgeoefend op twee verschillende punten van een houten potlood. De afschuifkracht vereist op zijn beurt twee parallelle en tegengestelde krachten, die, afhankelijk van hun intensiteit, het potlood kunnen vervormen of definitief kunnen breken.

Figuur 1. Door de afschuifkracht die met de handen wordt uitgeoefend, breekt het potlood. Bron: Pixabay.

Dus hoewel we het hebben over de afschuifkracht in het enkelvoud, worden in werkelijkheid twee krachten toegepast, aangezien de afschuifkracht een samengestelde kracht is. Deze krachten bestaan ​​uit twee krachten (of meer, in complexe gevallen) die op verschillende punten op een object worden uitgeoefend.

Twee krachten van dezelfde grootte en tegengestelde richting, maar met parallelle actielijnen, vormen een paar krachten. De paren zorgen niet voor translatie naar de objecten, aangezien hun resultante nul is, maar ze leveren wel een netto koppel.

Met een paar kunnen objecten zoals het stuur van een voertuig worden gedraaid, of ze kunnen worden vervormd en gebroken, zoals in het geval van het potlood en het houten bord in figuur 2.

Figuur 2. Afschuifkracht verdeelt een houten staaf in twee delen. Merk op dat de krachten tangentieel zijn ten opzichte van de dwarsdoorsnede van het blok. Bron: F. Zapata.

Oppervlaktekrachten en massakrachten

Samengestelde krachten maken deel uit van de zogenaamde oppervlaktekrachten, juist omdat ze op het oppervlak van lichamen worden uitgeoefend en op geen enkele manier verband houden met hun massa. Laten we ter verduidelijking deze twee krachten vergelijken die vaak op objecten inwerken: gewicht en wrijvingskracht.

De grootte van het gewicht is P = mg en aangezien het afhangt van de massa van het lichaam, is het geen oppervlaktekracht. Het is een massakracht en het gewicht is het meest karakteristieke voorbeeld.

Nu hangt wrijving af van de aard van de contactoppervlakken en niet van de massa van het lichaam waarop het inwerkt, daarom is het een goed voorbeeld van oppervlaktekrachten die vaak optreden.

Simpele krachten en samengestelde krachten

Oppervlaktekrachten kunnen eenvoudig of samengesteld zijn. We hebben al een voorbeeld gezien van een samengestelde kracht in de afschuifkracht, en van zijn kant wordt wrijving voorgesteld als een eenvoudige kracht, aangezien een enkele pijl voldoende is om het weer te geven in het geïsoleerde lichaamsdiagram van het object.

Simpele krachten zijn verantwoordelijk voor het afdrukken van veranderingen in de beweging van een lichaam, we weten bijvoorbeeld dat de kinetische wrijvingskracht tussen een bewegend object en het oppervlak waarop het beweegt, resulteert in een vermindering van de snelheid.

Integendeel, samengestelde krachten hebben de neiging lichamen te vervormen en in het geval van scharen of scharen kan het eindresultaat een snee zijn. Andere oppervlaktekrachten zoals spanning of compressie verlengen of comprimeren het lichaam waarop ze inwerken.

Elke keer dat de tomaat wordt gesneden om de saus te bereiden of een schaar wordt gebruikt om een ​​vel papier in stukken te snijden, zijn de beschreven principes van toepassing. Snijgereedschap heeft meestal twee scherpe metalen messen om schuifkracht uit te oefenen op de dwarsdoorsnede van het te hakken object.

Figuur 3. Afschuifkracht in actie: een van de krachten wordt uitgeoefend door het mes, de andere is de normale uitgeoefende door de snijplank. Bron: voedselfoto gemaakt door katemangostar - freepik.es

Schuifspanning

De effecten van de afschuifkracht zijn afhankelijk van de grootte van de kracht en het gebied waarop deze inwerkt, daarom wordt bij de engineering algemeen gebruik gemaakt van het concept van schuifspanning, waarbij zowel kracht als oppervlakte in aanmerking wordt genomen.

Deze spanning heeft andere betekenissen, zoals schuifspanning of schuifspanning en in civiele constructies is het buitengewoon belangrijk om hiermee rekening te houden, aangezien veel defecten in constructies het gevolg zijn van de werking van schuifkrachten.

Het nut ervan wordt meteen duidelijk als je de volgende situatie overweegt: stel dat je twee staven hebt van hetzelfde materiaal maar verschillende diktes die onderhevig zijn aan toenemende krachten totdat ze breken.

Het is duidelijk dat om de dikkere staaf te breken, er meer kracht moet worden uitgeoefend, maar de inspanning is hetzelfde voor elke staaf met dezelfde samenstelling. Tests zoals deze komen vaak voor in de engineering, gezien het belang van het selecteren van het juiste materiaal om de geprojecteerde structuur optimaal te laten functioneren.

Stress en spanning

Wiskundig gezien, als de schuifspanning wordt aangegeven als τ, de grootte van de uitgeoefende kracht als F en het gebied waarover deze werkt als A, hebben we de gemiddelde schuifspanning:

Omdat het de verhouding is tussen kracht en oppervlakte, is de eenheid van inspanning in het Internationale Systeem de newton / m ² , genaamd Pascal en afgekort als Pa. In het Engelse systeem de pond-kracht / voet ² en de pond-kracht / inch ² .

In veel gevallen wordt het aan de schuifspanning onderworpen voorwerp echter vervormd en herstelt het zijn oorspronkelijke vorm zonder daadwerkelijk te breken, zodra de spanning is opgehouden te werken. Stel dat de vervorming bestaat uit een lengteverandering.

In dit geval zijn de spanning en rek proportioneel, daarom kan het volgende worden overwogen:

Het symbool ∝ betekent "evenredig met" en wat betreft de vervorming van de eenheid, wordt het gedefinieerd als het quotiënt tussen de lengteverandering, die ΔL wordt genoemd, en de oorspronkelijke lengte, genaamd L _o . Op deze manier:

Afschuifmodulus

Omdat het een quotiënt is tussen twee lengtes, heeft de stam geen eenheden, maar bij het plaatsen van het gelijkheidssymbool moet de evenredigheidsconstante deze leveren. G bellen naar de constante:

G wordt de afschuifmodulus of afschuifmodulus genoemd. Het heeft Pascal-eenheden in het internationale systeem en de waarde ervan hangt af van de aard van het materiaal. Dergelijke waarden kunnen in het laboratorium worden bepaald door de werking van verschillende krachten op monsters van verschillende samenstelling te testen.

Als het nodig is om de grootte van de afschuifkracht uit de vorige vergelijking te bepalen, vervangt u eenvoudig de definitie van spanning:

Afschuifkrachten komen zeer frequent voor en met hun effecten moet in veel aspecten van wetenschap en technologie rekening worden gehouden. In constructies verschijnen ze op de steunpunten van de balken, ze kunnen ontstaan ​​tijdens een ongeval en een bot breken en hun aanwezigheid kan de werking van machines veranderen.

Ze werken op grote schaal in op de aardkorst en veroorzaken dankzij tektonische activiteit rotsbreuken en geologische ongelukken. Daarom zijn ze ook verantwoordelijk voor het continu vormgeven van de planeet.

Referenties

1. Beer, F. 2010. Mechanica van materialen. 5e. Editie. McGraw Hill. 7 - 9.
2. Fitzgerald, 1996. Mechanics of Materials. Alpha Omega. 21-23.
3. Giancoli, D. 2006. Fysica: principes met toepassingen. 6 ^{t th} Ed. Prentice Hall. 238-242.
4. Hibbeler, RC 2006. Mechanica van materialen. 6e. Editie. Pearson Education. 22-25
5. Valera Negrete, J. 2005. Opmerkingen over algemene fysica. UNAM. 87-98.
6. Wikipedia. Schuifspanning. Hersteld van: en.wikipedia.org.