ถาม – ตอบ ความแข็งแรงของวัสดุ

1. การศึกษาวิชาความแข็งแรงของวัสดุ เป็นการศึกษาเกี่ยวกับอะไร

ตอบ  กําลังต้านของวัสดุหรือส่วน โครงสร้าง อยู่ในสภาวะสมดุลโดยกล่าวถึงการหา

ก. ความสัมพันธ์ระหว่างภาระภายนอก กับหน่วยของแรงต้านทานที่เกิดขึ้นใน โครงสร้างของวัสดุ

ข. ความสัมพันธ์ระหว่างน้าหนักบรรทุกกับการเปลี่ยนแปลงรูปร่างในส่วนโครงสร้าง

2. สาเหตุของการเปลี่ยนแปลงรูปร่างของวัตถุ เกิดจากอะไร

ตอบ  สาเหตุของการเปลี่ยนแปลงรูปร่างของวัตถุนั้นพิจารณาได้ 2 กรณีคือ

1) เกิดแรงต้านทานภายในชิ้นส่วน เพื่อสร้างความสมดุลกับแรงภายนอก ถ้าแรงต้าน ภายในนั้นมากเกินไปจากคุณสมบัติของวัสดุนั้น ๆ วัสดุก็จะพิบัติไป

2) เกิดการเปลี่ยนแปลงรูปร่างเมื่อมีน้าหนักกระทำมากเกินไป ให้เกิดแรงต้านมากขึ้นด้วย และในขณะเดียวกันวัตถุมีการเปลี่ยนรูปร่าง (deformation) พร้อมกันไป วัตถุที่เปราะก็จะพังพิบัติ ก่อนการเห็นการเปลี่ยนรูปร่าง

3. ชนิดของนํ้าหนักหรือแรงที่กระทำภายนอก ได้แก่อะไรบ้าง

ตอบ   1. ลักษณะของแรงกระทำบนวัตถุ เช่น น้าหนักคงที่ (static load) น้าหนักกระทำซ้า ๆ (repeated load)และน้าหนักกระแทก (impact load)

2. ลักษณะของพื้นที่การรับแรง

2.1 น้าหนักแผ่เฉลี่ย (distribution load) มีทั้งแบบแผ่อย่างสม่าเสมอ และแบบแผ่ อย่างไม่สม่าเสมอ (uniformly and non–uniformly load)

2.2 น้าหนักที่กระทำบนพื้นที่เล็กมาก ๆ เมื่อเปรียบเทียบกับพื้นที่ของวัตถุนั้น (concentrated or point load)

3. ลักษณะที่ทำให้วัตถุเกิดการเปลี่ยนแปลงรูปร่าง แบ่งเป็น

3.1 แรงกระทำตามแนวแกน (axial load)

3.2 โมเมนต์ดัด (bending load)

3.3 แรงบิด (torsional or twisting load)

4. ความสามารถในการรับกําลังของวัตถุ นอกจากจะขึ้นอยู่กับคุณสมบัติและขนาดของ วัสดุแล้วยังขึ้นอยู่กับอะไร

ตอบ   อุณหภูมิและระยะเวลาในการรับกำลัง นั่นคือเมื่อชิ้นส่วนของโครงสร้างที่ถูก กระทำด้วยแรงต่างๆเป็นเวลานานหลายปีภายใต้การเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิในลักษณะต่างๆไม่ว่าจะ เป็นเพิ่มขึ้นหรือลดลง ก็จะเป็นผลให้กำลังการรับน้าหนักของวัสดุนั้นๆเปลี่ยนไปด้วย

5. SI Units ประกอบด้วยหน่วยรากฐานกี่หน่วย

ตอบ  SI Units ประกอบด้วยหน่วยรากฐาน 7 หน่วยดังนี้

1) ความยาว วัดเป็น เมตร (m)

2) มวล วัดเป็น กิโลกรัม (kg)

3) เวลา วัดเป็น วินาที (s)

4) กระแสไฟฟ้ า วัดเป็น แอมแปร์ (A)

5) อุณหภูมิทางเทอร์โมไดนามิกส์ วัดเป็น เคลวิน (K)

6) ความเข้มแห่งการส่องสว่าง วัดเป็น แคนเดลา (cd)

7) ปริมาณสาร วัดเป็น โมล (mol)

6. ภาระ (load) ที่กระทำต่อวัตถุแบ่งออกเป็น

ตอบ  ภาระภายนอก (external loads) มีความแตกต่างกันหลายรูปแบบสำหรับภาระภายนอก ซึ่งเราจะแบ่งประเภทตามแรงที่กระทำต่อผิวของวัตถุ (surface forces) และแรงที่เกิดจากน้าหนัก ของวัตถุ (body force)

ก) แรงกระทำที่ผิววัตถุ (surface force) เป็นแรงที่กระทำต่อผิวสัมผัส โดยกระจายอยู่บน พื้นที่สัมผัสระหว่างวัตถุ พื้นที่นั้นเล็กมากเมื่อเปรียบเทียบพื้นที่ทั้งหมดของวัตถุและแรงที่กระทำ ต่อผิววัตถุนี้สามารถที่จะกำหนด หรือแทนด้วยแรงรวมจุดเดียวได้

ข) แรงจากน้าหนักวัตถุ (body force) เกิดขึ้นเมื่อวัตถุหนึ่งใช้แรงกระทำกับอีกวัตถุหนึ่ง โดยวัตถุนั้นปราศจากการติดต่อกันโดยตรงระหว่างวัตถุตัวอย่างก็คือ ผลของแรงดึงดูดของโลก หรืออำนาจสนามแม่เหล็ก ถึงแม้ว่าแรงของวัตถุจะมีผลต่ออนุภาค (particle) เล็ก ๆ ของ ส่วนประกอบวัตถุ แรงเหล่านี้จะถูกแทนด้วยแรงแรงเดียว (single concentrated force) ที่กระทำต่อ วัตถุในกรณีของแรงดึงดูดของโลก เราเรียกว่า น้าหนักของวัตถุ โดยกระทำผ่านจุดศูนย์ถ่วง

ค) แรงปฏิกิริยารองรับ (support reactions) แรงที่พื้นผิว (surface force) จะถูกกําหนด เป็นจุดรองรับ (support) ระหว่างตัววัตถุ ซึ่งเรียกว่า แรงปฏิกิริยา (reaction) สำหรับโจทย์ประเภท 2 มิติ เช่น วัตถุอยู่บนพื้นราบ

ภาระภายใน (internal loadings)

สิ่งที่สำคัญที่สุดของหลักสถิตยศาสตร์ เมื่อนำไปใช้งานจะต้องหาแรงลัพธ์ (resultant force) และโมเมนต์ (moment) ที่กระทำภายในวัตถุ ซึ่งเป็นสิ่งจำเป็นที่ต้องหาคู่กันเมื่อเกิดภาระ ภายใน วัตถุมีแรงภายนอกสี่ทิศทางมากระทำเพื่อที่จะหาภาระภายใน ที่กระทำเฉพาะพื้นที่ภายใน วัตถุ เราใช้วิธี การตัด sections เพื่อให้วัตถุถูกแบ่งออกเป็นสองส่วน และเขียนไดอะแกรมอิสระ (free–body diagram) เมื่อเราตัด section และพิจารณาส่วนตัดข้างล่าง จะเกิดการกระจายของแรง ภายในที่กระทำบนพื้นที่ส่วนที่ตัด (expose area) แรงเหล่านั้นจะทำให้วัตถุสมดุล การกระจายของ แรงที่เราไม่รู้ค่านั้น เราสามารถใช้หลักการสถิตยศาสตร์ หาผลลัพธ์ของแรงภายใน และโมเมนต์ได้

7. ในการวิเคราะห์ออกแบบโครงสร้างหรือเครื่องจักรกลใด ๆ เราต้องมีข้อพิจารณาอยู่กี่ข้อ อะไรบ้าง

ตอบ   1. ภายในโครงสร้างแข็งแรงพอที่จะรับน้าหนักหรือแรงที่กระทำได้หรือไม่

2. ภายในโครงสร้างแกร่งพอที่จะไม่ทำให้เกิดการเปลี่ยนรูปร่างมากเกินไปหรือไม่

ในวิชากลศาสตร์ เราจะพิจารณาแรงในวัตถุโดยไม่คำนึงถึงขนาดที่เปลี่ยนแปลง แต่ใน วิชากลศาสตร์ของแข็ง เราจะต้องพิจารณาทั้งสองอย่างนี้พร้อมกันไปด้วย

8. แรงที่กระทำต่อวัสดุหรือส่วนของโครงสร้างใด ๆ สามารถแบ่งออกเป็นกี่ชนิด

ตอบ    3 ชนิด คือ

1.แรงที่อยู่นิ่ง (static load)

เป็นแรงที่กระทำต่อชิ้นส่วนของโครงสร้างอย่างช้า ๆ จนกระทั่งมีค่าถึงค่าหนึ่ง แล้วจะมีค่าคงที่อยู่ตลอดไปหรือเกือบเท่ากับค่านั้นตลอดไป เช่น แรงที่กระทำบนอาคารต่าง ๆ แรงเนื่องจากความดัน ของภายในหม้อความดันที่กระทำต่อรอยเชื่อม

2.แรงที่กระทำซ้ำ ๆ (repeated load)

หมายถึง แรงหรือน้าหนักที่กระทำต่อโครงสร้างหรือวัสดุหลายครั้งซ้ำ ๆ กัน และสลับกันไปมา ในช่วงเวลาหนึ่ง เช่น แรงกระทำต่อข้อเหวี่ยงของเครื่องยนต์ เพลารถไฟ ก้านลูกสูบของเครื่องอัด อากาศ ฯลฯ

3.แรงกระแทก (impact load)

เป็นแรงที่กระทำต่อชิ้นส่วนในระยะเวลาอันสั้นโดยปกติแล้วไม่สามารถที่จะหาระยะเวลาที่แรง กระแทกนี้กระได้ล่วงหน้า เช่น แรงกระแทกที่เกิดจากรถยนต์วิ่งข้ามสะพาน หรือการปล่อย น้าหนักกระทบบนส่วนของโครงสร้าง เป็นต้น

9. ความเค้น (Stress) คืออะไร

ตอบ  แรงภายนอกที่มากระทำผ่านจุดศูนย์ถ่วงของพื้นที่หน้าตัดของวัสดุนั้น หรือ คือแรงภายนอกต่อหนึ่งหน่วยพื้นที่ใช้สัญลักษณ์ว่า σ (sigma)

10. ชนิดของความเค้นที่เกิดขึ้นกับวัสดุสามารถแบ่งออกได้เป็นกี่ชนิด อะไรบ้าง

ตอบ   3 ชนิด คือ

1.ความเค้นดึง (tensile stress) สัญลักษณ์ σt จะเกิดขึ้นเมื่อวัตถุอยู่ภายใต้แรงดึง โดย แรงดึงจะต้องตั้งฉากกับพื้นที่หน้าตัดที่กระทำนั้น ความเค้นดึงจะให้เครื่องหมายแสดงเป็นบวก

2. ความเค้นอัด (compressive stress) สัญลักษณ์ σc จะเกิดขึ้นเมื่อวัตถุอยู่ภายใต้ แรงอัดโดยแรงอัดจะต้องกระทำตั้งฉากกับพื้นที่หน้าตัดของท่อนวัตถุที่กระทำนั้น ความเค้นดึงจะ ให้เครื่องหมายแสดงเป็นลบ
3. ความเค้นเฉือน (shear stress) สัญลักษณ์ τ (tau) เป็นแรงภายนอกที่มากระทำต่อ วัตถุนั้นโดยพยายามทำให้วัตถุเกิดการขาดจากกันตามแนวระนาบที่ขนานกับทิศทางของแรงนั้น