तनाव और तनाव के प्रकार

तनाव

कोई भी घटक, चाहे वह कितना भी सरल या जटिल हो, उसे किसी न किसी प्रकार के यांत्रिक भार को सहन या स्थानांतरित करना होता है। भार निम्नलिखित प्रकारों में से एक हो सकता है: एक भार जो स्थिर रूप से लागू होता है ("स्थिर" भार); एक भार जो परिमाण में धीमे या तेज़ परिवर्तन के साथ उतार-चढ़ाव करता है ("जीवित" भार); एक भार जो अचानक लागू होता है ("आघात" भार); या किसी रूप में प्रभाव के कारण भार। तनाव एक प्रकार का भार है जो किसी घटक पर लागू हो सकता है।

तनाव की परिभाषा

जब किसी धातु पर भार (बल) लगाया जाता है, तो वह विकृत या विकृत हो जाती है, चाहे धातु कितनी भी मजबूत हो या भार कितना भी हल्का हो। यदि भार छोटा है, तो विकृति संभवतः भार हटाने पर गायब हो जाएगी। विकृति की तीव्रता, या डिग्री, को तनाव के रूप में जाना जाता है। यदि विकृति गायब हो जाती है और धातु भार हटाने पर अपनी मूल आयामों में लौट आती है, तो तनाव को लोचदार तनाव कहा जाता है। यदि विकृति गायब नहीं होती है और धातु विकृत रहती है, तो तनाव प्रकार को प्लास्टिक तनाव कहा जाता है। तनाव के बारे में अधिक जानकारी saVRee के एक अन्य लेख में दी गई है।

जब धातु पर भार लगाया जाता है, तो परमाणु संरचना स्वयं विकृत हो जाती है, संकुचित, विकृत, या विस्तारित हो जाती है। धातु के परमाणु एक निश्चित ज्यामितीय पैटर्न में व्यवस्थित होते हैं, जो उस विशेष धातु या मिश्र धातु के लिए विशिष्ट होता है, और इंटरएटोमिक बलों द्वारा उस पैटर्न में बनाए रखा जाता है। जब इस प्रकार व्यवस्थित होते हैं, तो परमाणु अपनी न्यूनतम ऊर्जा की स्थिति में होते हैं और उस व्यवस्था में बने रहने की प्रवृत्ति रखते हैं। धातु पर काम किया जाना चाहिए (यानी, ऊर्जा जोड़ी जानी चाहिए) ताकि परमाणु पैटर्न विकृत हो सके (काम बल के बराबर होता है जो बल के चलने की दूरी के बराबर होता है)।

तनाव एक सामग्री की आंतरिक प्रतिरोध, या प्रतिकार बल, होता है जो बाहरी बल या भार के विकृत प्रभावों के खिलाफ होता है। ये प्रतिकार बल परमाणुओं को उनकी सामान्य स्थिति में लौटाने की प्रवृत्ति रखते हैं। विकसित कुल प्रतिरोध बाहरी भार के बराबर होता है। इस प्रतिरोध को तनाव के रूप में जाना जाता है।

हालांकि इस तनाव की तीव्रता को मापना असंभव है, बाहरी भार और जिस क्षेत्र पर इसे लागू किया जाता है, उसे मापा जा सकता है। तनाव (σ) को भार प्रति इकाई क्षेत्र या बल (F) प्रति क्रॉस-सेक्शनल क्षेत्र (A) के रूप में दर्शाया जा सकता है जो बल के लंबवत होता है जैसा कि नीचे दिए गए समीकरण में दिखाया गया है।

जहां:

σ = तनाव (psi या lbs बल प्रति in.²)

F = लागू बल (lbs)

A = क्रॉस-सेक्शनल क्षेत्र (in.²)

नोट 

बल की इम्पीरियल इकाई पाउंड-फोर्स (lbf) है, जो पाउंड-मास (lb) से भिन्न होती है, जो गुरुत्वाकर्षण के प्रभाव पर निर्भर करती है। पृथ्वी पर, पाउंड-फोर्स लगभग पाउंड-मास के समान होता है। सरलता के लिए, सभी गणनाओं में पाउंड-मास (lb) इकाइयों का उपयोग किया जाएगा। 

बल की SI मीट्रिक इकाई न्यूटन है। तनाव को न्यूटन प्रति मीटर वर्ग (N/m²) में व्यक्त किया जाता है।

तनाव के प्रकार

किसी भी सामग्री में तनाव उत्पन्न होता है जो किसी भार या किसी लागू बल के अधीन होती है। तनाव के कई प्रकार होते हैं, लेकिन उन्हें सामान्यतः छह श्रेणियों में वर्गीकृत किया जा सकता है: अवशिष्ट तनाव, संरचनात्मक तनाव, दबाव तनाव, प्रवाह तनाव, तापीय तनाव, और थकान तनाव।

अवशिष्ट तनाव

अवशिष्ट तनाव उन निर्माण प्रक्रियाओं के कारण होते हैं जो सामग्री में तनाव छोड़ते हैं। वेल्डिंग धातुओं में अवशिष्ट तनाव छोड़ती है।

संरचनात्मक तनाव

संरचनात्मक तनाव संरचनात्मक सदस्यों में उत्पन्न होते हैं क्योंकि वे जिन भारों का समर्थन करते हैं। भार लोडिंग प्रदान करते हैं। ये तनाव भवन की नींव और ढांचे में, साथ ही मशीनरी के भागों में पाए जाते हैं।

दबाव तनाव

दबाव तनाव उन वाहनों में उत्पन्न होते हैं जो दबावयुक्त सामग्री को धारण करते हैं। लोडिंग वही बल प्रदान करता है जो दबाव उत्पन्न करता है।

प्रवाह तनाव

प्रवाह तनाव तब उत्पन्न होते हैं जब बहने वाले तरल पदार्थ का द्रव्यमान एक नली की दीवार पर गतिशील दबाव डालता है। दीवार पर तरल पदार्थ के प्रहार की शक्ति लोड के रूप में कार्य करती है। जब प्रवाह दर में उतार-चढ़ाव होता है, तो इस प्रकार का तनाव अनियमित रूप से लागू हो सकता है। एक जल हथौड़ा परिदृश्य एक अस्थायी प्रवाह तनाव का उदाहरण है।

तापीय तनाव

तापीय तनाव तब मौजूद होते हैं जब किसी सामग्री में तापमान ग्रेडिएंट होते हैं। विभिन्न तापमान विभिन्न विस्तार उत्पन्न करते हैं और सामग्री को आंतरिक तनाव में डालते हैं। इस प्रकार का तनाव विशेष रूप से उच्च तापमान पर काम करने वाले तंत्रों में ध्यान देने योग्य होता है जिन्हें ठंडे तरल पदार्थ द्वारा ठंडा किया जाता है।

थकान तनाव

थकान तनाव तनाव के चक्रीय अनुप्रयोग के कारण होते हैं। तनाव कंपन या तापीय चक्रीय के कारण हो सकते हैं। 

सभी तनावों का महत्व तब बढ़ जाता है जब उन्हें समर्थन करने वाली सामग्री दोषपूर्ण होती है। दोष सामग्री में अतिरिक्त तनाव जोड़ने की प्रवृत्ति रखते हैं। इसके अलावा, जब लोडिंग चक्रीय या अनियमित होती है, तो तनाव सामग्री को अधिक गंभीर रूप से प्रभावित कर सकते हैं। दोषों और चक्रीय लोडिंग से जुड़े अतिरिक्त तनाव उस तनाव से अधिक हो सकते हैं जो सामग्री को विफल करने के लिए आवश्यक होता है।

लागू तनाव के प्रकार

किसी घटक के शरीर के भीतर तनाव की तीव्रता को आंतरिक भार के तीन मूल प्रकारों में से एक के रूप में व्यक्त किया जाता है। इन्हें तनावीय, संपीडन, और कतरनी के रूप में जाना जाता है। नीचे दी गई छवि विभिन्न प्रकार के तनावों को दर्शाती है। गणितीय रूप से, केवल दो प्रकार के आंतरिक भार होते हैं क्योंकि तनावीय और संपीडन तनाव को सामान्य लोडिंग के सकारात्मक और नकारात्मक संस्करणों के रूप में माना जा सकता है।

हालांकि, यांत्रिक डिजाइन में, घटकों की प्रतिक्रिया दोनों स्थितियों के लिए इतनी भिन्न हो सकती है कि उन्हें अलग-अलग प्रकार के रूप में मानना बेहतर और सुरक्षित होता है।

जैसा कि नीचे दी गई छवि में दर्शाया गया है, तनावीय या संपीडन तनाव का तल उस बल की धुरी के लंबवत होता है जिससे यह उत्पन्न होता है। कतरनी तनाव का तल उस बल प्रणाली के तल में होता है जिससे यह उत्पन्न होता है। इन अंतरों को दिमाग में और अभिव्यक्ति के तरीके में स्पष्ट रखना आवश्यक है।

लागू तनाव के प्रकार

तनावीय तनाव

तनावीय तनाव एक प्रकार का तनाव है जिसमें तनाव तल के दोनों ओर की सामग्री के दो खंड अलग होने या लंबा होने की प्रवृत्ति रखते हैं जैसा कि ऊपर की छवि में दर्शाया गया है (तनावीय)।

संपीडन तनाव

संपीडन तनाव तनावीय तनाव का उल्टा है। सामग्री के आसन्न भाग एक विशिष्ट तनाव तल के माध्यम से एक-दूसरे के खिलाफ दबाने की प्रवृत्ति रखते हैं जैसा कि ऊपर की छवि में दर्शाया गया है (संपीडन)।

कतरनी तनाव

कतरनी तनाव तब मौजूद होता है जब सामग्री के दो भाग किसी विशिष्ट कतरनी तल में एक-दूसरे के पार खिसकने की प्रवृत्ति रखते हैं जब उस तल के समानांतर बल लागू होता है जैसा कि ऊपर की छवि में दर्शाया गया है (कतरनी)।

यांत्रिक गुणों का आकलन तीन मूल तनाव प्रकारों को संबोधित करके किया जाता है। क्योंकि तनावीय और संपीडन भार तनाव उत्पन्न करते हैं जो एक तल के पार कार्य करते हैं, एक दिशा में जो तल के लंबवत (सामान्य) होती है, तनावीय और संपीडन तनावों को सामान्य तनाव कहा जाता है। संक्षिप्त नामांकन निम्नलिखित हैं।

के लिए तनावीय तनाव: "+S_N" (या "S_N") या "σ" (सिग्मा)

के लिए संपीडन तनाव: "-S_N" या "-σ" (माइनस सिग्मा)

किसी सामग्री की संपीडन तनाव या दबाव पर प्रतिक्रिया करने की क्षमता को संपीडनीयता कहा जाता है। उदाहरण के लिए, धातु और तरल पदार्थ असंपीडनीय होते हैं, लेकिन गैसें और वाष्प संपीडनीय होते हैं। कतरनी तनाव बल के दिशा में समानांतर चेहरे के क्षेत्र द्वारा बल विभाजित के बराबर होता है, जैसा कि पिछली छवि में दिखाया गया है (कतरनी)।

एक तल में दो प्रकार के तनाव एक साथ मौजूद हो सकते हैं, बशर्ते कि उनमें से एक तनाव कतरनी तनाव हो। कुछ स्थितियों में, विभिन्न मूलभूत तनाव प्रकार संयोजन सामग्री में एक साथ मौजूद हो सकते हैं। एक दबाव पोत की दीवार में विभिन्न स्थानों पर तापमान और दीवार पर कार्य करने वाले तरल पदार्थ के दबाव के कारण तनावीय तनाव होता है। दीवार के अन्य स्थानों पर बाहरी दबाव, तापमान, और पोत से जुड़े समर्थन की संकुचन के कारण संपीडन तनाव लागू होता है। इस स्थिति में, तनावीय और संपीडन तनावों को प्रमुख तनाव माना जाता है। यदि मौजूद है, तो कतरनी तनाव प्रमुख तनाव के 90° कोण पर कार्य करेगा।

सारांश

इस अध्याय में महत्वपूर्ण जानकारी का सारांश नीचे दिया गया है।

तनाव सारांश

• तनाव एक सामग्री की आंतरिक प्रतिरोध है जो बाहरी बल या भार के विकृत प्रभावों के खिलाफ होता है।

• तीन प्रकार के तनाव होते हैं:

तनावीय तनाव एक प्रकार का तनाव है जिसमें तनाव तल के दोनों ओर की सामग्री के दो खंड अलग होने या लंबा होने की प्रवृत्ति रखते हैं।

संपीडन तनाव तनावीय तनाव का उल्टा है। सामग्री के आसन्न भाग एक-दूसरे के खिलाफ दबाने की प्रवृत्ति रखते हैं।

कतरनी तनाव तब मौजूद होता है जब सामग्री के दो भाग किसी विशिष्ट कतरनी तल में एक-दूसरे के पार खिसकने की प्रवृत्ति रखते हैं।

• संपीडनीयता एक सामग्री की संपीडन तनाव या दबाव पर प्रतिक्रिया करने की क्षमता है।

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