انرژی کشسانی

انرژی کشسانی یک انرژی پتانسیل مکانیکی است که در ماده یا یک سامانهٔ فیزیکی ذخیره می‌شود و برابر با کاری است که باید انجام شود تا در آن تغییر حجم یا شکل ایجاد کند. و با Ug آن را نشان می‌دهند. دانش مکانیک جامدات گسترش یافته تا بتواند مکانیک اجسام صلب و ماده را پردازش کند و درک درستی از آن بدست آورد.[1] انرژی پتانسیل کشسانی در بدست آوردن وضعیت تعادل مکانیکی کاربرد دارد. این انرژی در ماده ذخیره می‌شود یا به بیان دیگر پتانسیل است و می‌تواند به صورت دیگر انرژی یعنی انرژی جنبشی تبدیل شود. معادلهٔ ریاضی این انرژی عبارت است از:

U={\frac {1}{2}}kx^{2}\,

در اینجا ضریب سختی=k (نیوتن بر متر n/m) و تغییر طول=x (متر m)

در حالت کشسانی، برگشت‌پذیری یک اصل است به عبارت دیگر هنگامی که نیرویی به یک جسم وارد می‌شود و در آن انرژی پتانسیل کشسانی ذخیره می‌گردد، پس از برداشتن آن نیرو، جسم حتماً باید به حالت نخستینش بازگردد. هر ماده‌ای دارای درجهٔ محدودی از شکل‌پذیری است و بیش از آن ممکن است دچار گسیختگی یا تغییر شکل‌های همیشگی شود. اگر از مرز کشسان ماده رد شویم، آن ماده دیگر نمی‌تواند انرژی کشسانی را در خود نگه دارد. برای دریافت میزان کشسانی بودن ماده باید وارد بحث‌های کرنش شد.

انرژی کشسانی یک ماده یا میان ماده یک انرژی استاتیک در اندام ماده‌است و به تغییر فاصلهٔ میان اتم‌ها ربط دارد. انرژی گرمایی به توزیع تصادفی انرژی جنبشی در میان ماده ربط دارد و باعث نوسان‌های درونی ماده نسبت به حالت تعادلش می‌شود. برای نمونه گاهی وقتی یک جسم جامد زیر خمش، پیچش یا دیگر تغییر شکل‌ها قرار می‌گیرد در آن انرژی گرمایی ایجاد می‌شود و دمایش بالا می‌رود.

انرژی پتانسیل کشسانی در سامانه‌های مکانیکی

اجزای یک سامانهٔ مکانیکی اگر در برابر یک نیروی خارجی از خود تغییر شکل نشان دهند می‌توانند انرژی کشسانی را در خود ذخیره کنند. این نیرو بسته به میزان تغییر شکلی که ایجاد کرده در جسم کار انجام داده که برابر است با ضرب داخلی نیرو در جابجایی.

شناخته شده‌ترین نمونه در بحث انرژی کشسانی، فنر است. با توجه به قانون هوک یک ثابت برای فنر به اسم k تعریف می‌شود که به هندسه، سطح مقطع، جنس ماده و… وابسته‌است. در یک بازهٔ محدودی از تغییر شکل‌ها، k ثابت می‌ماند:

k=-{\tfrac {F_{r}}{L-L_{o}}}

در رابطهٔ بالا، L طول ثانویه یا تغییر شکل یافتهٔ فنر است و L_o طول آن در حالت آزاد یا بدون تغییر شکل است به همین دلیل L می‌تواند از L_o بزرگتر باشد. مقدار F_r حتماً باید به صورت برداری و با علامتش نوشته شود. اگر L>L_o باشد نیرو منفی و اگر L<L_o باشد نیرو مثبت است. حال اگر تغییر شکل را به صورت زیر خلاصه کنیم:

(L-L_{o})\rightarrow x\,

قانون هوک به صورت زیر نوشته می‌شود:

F_{r}=\,-k\,x

.

اگر تغییر شکل‌های بسیار کوچک در فنر را dx و نیروی وارده را k x بنامیم، انرژی ذخیره شده در فنر به صورت dU نوشته می‌شود. حال کل انرژی ذخیره شده در فنر از تغییر شکل صفر تا طول نهایی L به صورت زیر بدست می‌آید:

U=\int _{0}^{L-L_{o}}{k\ x\ dx}={\tfrac {1}{2}}k(L-L_{o})^{2}

در حالت کلی، انرژی کشسانی در یکای حجم به صورت تابعی از تنسور کرنش ε_ij نوشته می‌شود:

f(\epsilon _{ij})=\lambda \left(\sum _{i=1}^{3}\epsilon _{ii}\right)^{2}+2\mu \sum _{i=1}^{3}\sum _{j=1}^{3}\epsilon _{ij}^{2}

در این رابطه λ و μ ضریب‌های کشسانی لامه‌اند. رابطهٔ میان تنسور تنش و کرنش به صورت زیر است:

\sigma _{ij}=\left({\frac {\partial f}{\partial \epsilon _{ij}}}\right)_{S}.

برای موادی که از مدول یانگ پیروی می‌کنند Y (همان مدول کشسانی λ)، سطح مقطع A_۰، طول نخست l_۰ که به اندازهٔ $\Delta l$ تغییر می‌کند:

U_{e}=\int {\frac {YA_{0}\Delta l}{l_{0}}}\,dl={\frac {YA_{0}{\Delta l}^{2}}{2l_{0}}}

در این رابطه U_e همان انرژی پتانسیل کشسانی است.

انرژی پتانسیل کشسانی در یکای حجم ماده برابر است با:

{\frac {U_{e}}{A_{0}l_{0}}}={\frac {Y{\Delta l}^{2}}{2l_{0}^{2}}}={\frac {1}{2}}Y{\varepsilon }^{2}

که در آن

\varepsilon ={\frac {\Delta l}{l_{0}}}

کرنش در ماده‌است.

منابع

Landau, L.D. (1986). Theory of Elasticity (3rd ed.). Oxford, England: Butterworth Heinemann. ISBN 0-7506-2633-X. Unknown parameter |coauthors= ignored (|author= suggested) (help)

This article is issued from Wikipedia. The text is licensed under Creative Commons - Attribution - Sharealike. Additional terms may apply for the media files.

[LL-1] Landau, L.D. (1986). Theory of Elasticity (3rd ed.). Oxford, England: Butterworth Heinemann. ISBN 0-7506-2633-X. Unknown parameter |coauthors= ignored (|author= suggested) (help)

انرژی
Outline History Index
اصول پایه	انرژی یکای انرژی پایستگی انرژی ترمودینامیک تبدیل انرژی شرایط انرژی Energy transition تراز انرژی سیستم انرژی جرم (فیزیک) Negative mass هم‌ارزی جرم و انرژی توان (فیزیک) ترمودینامیک Quantum thermodynamics قوانین ترمودینامیک سیستم ترمودینامیکی حالت ترمودینامیکی پتانسیل ترمودینامیکی انرژی آزاد ترمودینامیکی فرایند برگشت‌ناپذیر (ترمودینامیک) منبع گرمایی انتقال گرما ظرفیت گرمایی Volume (thermodynamics) تعادل ترمودینامیکی تعادل گرمایی دمای ترمودینامیکی تک‌افتاده آنتروپی آنتروپی آزاد نیروی آنتروپی Negentropy کار (فیزیک) اکسرژی آنتالپی
Types	انرژی جنبشی انرژی درونی انرژی گرمایی انرژی پتانسیل انرژی پتانسیل گرانشی انرژی کشسانی انرژی پتانسیل الکتریکی انرژی مکانیکی Interatomic potential انرژی الکتریکی Magnetic انرژی یونش Radiant انرژی بستگی انرژی بستگی هسته انرژی پیوند گرانشی Quantum chromodynamics binding energy انرژی تاریک اثیر (فیزیک) Phantom انرژی منفی انرژی شیمیایی جرم نامتغیر Sound energy انرژی سطح انرژی خلأ انرژی نقطه صفر
حامل‌های انرژیs	پرتو آنتالپی موج‌های مکانیکی صدا سوخت سوخت فسیلی گرما گرمای نهان کار (فیزیک) برق باتری خازن
انرژی اولیه	سوخت فسیلی زغال‌سنگ نفت خام گاز طبیعی سوخت هسته‌ای Natural uranium Radiant energy انرژی خورشیدی انرژی بادی انرژی آبی انرژی دریایی انرژی زمین‌گرمایی زیست‌انرژی انرژی پتانسیل گرانشی
اجزای سیستم انرژی	مهندسی انرژی پالایشگاه نفت توان الکتریکی نیروگاه سوخت فسیلی تولید هم‌زمان Integrated gasification combined cycle انرژی هسته‌ای نیروگاه هسته‌ای مولد گرما-الکتریکی ایزوتوپی برق خورشیدی سامانه فتوولتاییک انرژی خورشیدی متمرکز انرژی حرارتی خورشیدی برج کانون خورشیدی کوره خورشیدی انرژی بادی نیروگاه بادی Airborne wind energy انرژی آبی برق آبی نیروگاه موج انرژی کشندی الکتریسیته زمین‌گرمایی زیست‌توده
Use and supply	Energy consumption ذخیره انرژی انرژی مصرفی جهان امنیت انرژی نگهداری انرژی بهره‌وری انرژی Transport Agriculture انرژی تجدیدپذیر انرژی پایدار Energy policy توسعه انرژی Worldwide energy supply South America USA Mexico Canada Europe رده:انرژی در آسیا Africa Australia
Misc.	Jevons paradox تأثیرات کربن
رده:انرژی Commons درگاه:انرژی WikiProject