หน่วยที่ 5 ความเค้นและความเครียด�(Stresses and Strains)

📂ความหมายของความแข็งแรงของวัตถุ

📂ภาระและแรงปฏิกริยา

📂ความเค้นและความเครียด

📂ไดอะแกรมความเค้นและความเครียด

📂การเปลี่ยนรูปแบบยืดหยุ่นและกฎของฮุค

ตามหลักสูตรประกาศนียบัตรวิชาชีพ (ปวช.) พ.ศ. 2556

ความหมายของความแข็งแรงของวัสดุ�(The Definition of Strength of Materials)

ความแข็งแรงของวัสดุ หรือ กลศาสตร์ของแข็ง (Mechanics of Solids) เป็นการศึกษาพฤติกรรมของวัตถุภายใต้แรงกระทำชนิดต่าง ๆ ความสัมพันธ์ระหว่างแรงภายนอกและแรงภายในทำให้เกิดความเข้มของแรงภายใน (Intensities of Force) อันทำให้เกิดความเค้น (Stress) และการเปลี่ยนรูป (Deformation) อันเนื่องมาจากความเครียด (Strain)

ภาระและแรงปฏิกริยา (Loads and Reactions)

แรงที่กระทำต่อชิ้นส่วนโครงสร้าง เรียกว่า “ภาระ” (Load) หรือเรียกว่า “แรงกระทำ” หรือ “แรงกริยา” (Actions) ส่วนแรงที่ต้านภาระหรือแรงกริยา เรียกว่า “แรงปฏิกริยา” (Reactions) ทั้งภาระและแรงปฏิกริยาเกิดขึ้นได้ทั้งภายนอกและภายในของวัตถุ จึงต้องทำความเข้าใจกับ

1. ภาระสถิต (Static Load) คือ ภาระที่ค่อยๆ กระทำกับวัตถุอย่างช้าๆ จนถึงค่าคงที่ค่าหนึ่งและภาระสถิตนี้จะไม่กระทำซ้ำๆ กันหลายๆ ครั้ง

2. ภาระที่รับไว้ (Sustained Load) คือภาระที่กระทำกับวัตถุเป็นเวลานาน เช่น น้ำหนักของชิ้นส่วนโครงสร้างของตัวมันเอง

ภาระและแรงปฏิกริยา (Loads and Reactions) (ต่อ)

3. ภาระกระทำซ้ำ (Repeated Load) คือ ภาระที่กระทำกับวัตถุซ้ำกันหลายๆ ครั้ง เช่น ชิ้นส่วนในเครื่องยนต์ เป็นต้น

4. ภาระกระแทก (Impact Load) คือภาระที่กระทำกับวัตถุในเวลาอันสั้น เช่น การใช้ฆ้อนตอกตะปู บางครั้งการกระแทกนั้นเรียกว่า “ภาระพลังงาน” (Energy Load)

5. ภาระในแนวแกน (Axial Load) คือ แรงหรือระบบของแรงซึ่งแรงลัพธ์กระทำผ่านจุดศูนย์ถ่วงของหน้าตัดวัตถุที่แรงกระทำ ดังรูป

ภาระและแรงปฏิกริยา (Loads and Reactions) (ต่อ)

6. ภาระกระทำเป็นจุด (Concentrated Load) คือ ภาระที่กระทำจุดๆ หนึ่งเป็นพื้นที่ขนาดเล็กเมื่อเทียบกับหน้าตัดของวัตถุที่รับแรง ดังรูป

​

​

​

​

7. ภาระกระจ่าย (Distributed Load) คือ แรงหรือระบบของแรงซึ่งกระจายอยู่บนพื้นที่ที่รับ

ภาระและแรงปฏิกริยา (Loads and Reactions) (ต่อ)

แรงยังแบ่งออกได้เป็น แรงกระจายสม่ำเสมอ (Uniformly Distributed Load) และ แรงกระจายไม่สม่ำเสมอ (Non-uniformly Distributed Load) ดังรูป

ภาระและแรงปฏิกริยา (Loads and Reactions) (ต่อ)

8. ภาระภายนอก (External Load) คือ แรงที่กระทำด้านนอกของโครงสร้างในสภาวะสมดุล ดังรูป

9. ภาระใน (Internal Load) คือ แรงที่มีผลกระทบต่อโครงสร้างภายในในสภาวะสมดุล ดังรูป

ความเค้น (Stresses)

ความเค้น คือ ความเข้มของแรงภายใน (Intensity of internal force) หรือก็คือ แรงภายนอกที่กระทำต่อหนึ่งหน่วยพื้นที่

ชนิดของความเค้น

1. ความเค้นดึง (Tensile Stress) เป็นความเค้นฉากแบบหนึ่ง คือความเค้นที่เกิดจากแรงดึง (Tensile force) กระทำตั้งฉากกับพื้นที่หน้าตัดของวัตถุ จะได้ดังรูป

ชนิดของความเค้น

ชนิดของความเค้น

2. ความเค้นอัด (Compressive Stress) เป็นความเค้นฉากแบบหนึ่ง คือความเค้นที่เกิดจากแรงอัด (Compressive force) กระทำตั้งฉากกับพื้นที่หน้าตัดของวัตถุ ดังรูป

สมการความเค้นอัด

ชนิดของความเค้น

3. ความเค้นเฉือน (Shear Stress) เป็นความเค้นเกิดจากแรงเฉือน (Shearing force) ความเค้นเฉือนแบ่งออกเป็น 2 ลักษณะ ดังรูป

สมการความเค้นเฉือน

ความเครียด (Strains)

วัตถุเมื่อถูกแรงกระทำจะเกิดการเปลี่ยนรูป (Deformations) นอกจากแรงกระทำแล้วอุณหภูมิก็ยังเป็นปัจจัยที่ทำให้เกิดการเปลี่ยนรูปเช่นเดียวกัน ถ้าการเปลี่ยนรูปมากเกินไปก็จะทำให้เกิดความเสียหายแก่รูปทรงของโครงสร้าง ซึ่งก็คือ ความเครียด (Strains) หาได้จากสมการ

ชนิดของความเครียด

1. ความเครียดดึง (Tensile Strain) คือ ความเครียดที่เกิดจากวัตถุถูกแรงดึงกระทำ ทำให้วัตถุนั้นยืดออกในแนวแกนหรือตั้งฉากกับหน้าตัดของวัตถุ ทำให้วัตถุเล็กลง

สูตรการคำนวณความเครียดดึง

ชนิดของความเครียด (ต่อ)

2. ความเครียดอัด (Compressive Strain) คือ ความเครียดที่เกิดจากวัตถุถูกแรงอัดกระทำ ทำให้วัตถุนั้นหดตัวลงในแนวแกนหรือตั้งฉากกับหน้าตัดของวัตถุ ทำให้วัตถุมีขนาดใหญ่ขึ้น

สูตรการคำนวณความเครียดอัด

ชนิดของความเครียด (ต่อ)

3. ความเครียดเฉือน (Shear Strain) คือ ความเครียดที่เกิดจากวัตถุถูกแรงเฉือนกระทำ ทำให้วัตถุเกิดการเปลี่ยนแปลงขนาด เปลี่ยนแปลงรุปร่าง ดังรูป ซึ่งการเปลี่ยนแปลงในลักษณะนี้ เรียกว่า “ความเครียดเฉือน”

สูตรการคำนวณความเครียดเฉือน

ไดอะแกรมความเค้นและความเครียด (Stress-Strain Diagram)

การทดสอบหาค่าความเค้นและความเครียดของวัสดุ โดยเครื่องมือทดสอบแรงดึง และนำมาเขียนกราฟ เรียกว่า “ไดอะแกรมความเค้นและความเครียด” (Stress-Strain Diagram) วัสดุที่ใช้ในการทดสอบอย่างหนึ่งก็คือ เหล็กเหนียว (Ductile Materials) ซึ่งเมื่อนำมาเขียนกราฟแสดงความสัมพันธ์จะได้ ดังรูป

การเปลี่ยนรูปแบบยืดหยุ่นและกฎของฮุค�(Elastic Deformation and Hooke’s Law)

เมื่อวัสดุถูกแรงกระทำหรืออุณหภูมิที่เปลี่ยนไปจะทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงรูปร่างและขนาด การเปลี่ยนแปลงรูปร่างนี้จะมากหรือน้อยขึ้นอยู่กับขนาดของแรงกระทำหรืออุณหภูมิที่เปลี่ยนไป วัสดุในที่นี้จะเกี่ยวข้องกับวัสดุที่เป็นของแข็งเท่านั้น และเมื่อแรงมากระทำวัสดุนั้นออก หรืออุณหภูมิลดลงสู่อุณหภูมิปกติ วัสดุจะกลับมาสู่สภาพเดิม เรียกว่า “ความยืดหยุ่น” (Elasticity) ส่วนวัสดุที่ไม่สามารถกลับคืนตัวได้ทั้งหมด เรียกว่า “วัสดุมีความยืดหยุ่นบางส่วน” (Partially elastic)

กฎของฮุค (Hooke’s Law)