Unità di Modulo di Elasticità (Modulo di Young)

Prima di immergerci per dare uno sguardo più profondo ai diversi tipi e unità di modulo di elasticità (Modulo di Young), diamo prima un’occhiata a una definizione generale di questa proprietà meccanica molto importante.

Una definizione di base del modulo di elasticità

Conosciuto anche come ‘modulo elastico’, è un valore misurato che rappresenta la resistenza di un materiale alla deformazione elastica, cioè, la sua ‘elasticità’. Si applica solo alla deformazione non permanente quando è sotto l’effetto di una sollecitazione.

Il modulo di elasticità è dato dal gradiente della curva sforzo-deformazione nella regione in cui si deforma elasticamente (vedi sotto – la sezione lineare prima del “carico di snervamento”). A less stretchy (or stiffer) material has a comparatively high modulus of elasticity, whereas a stretchy or springy substance has a lower one.

The elastic modulus is often represented by the Greek symbol lambda, λ. It takes the form of stress divided by strain, thus:

λ= stress/strain

• Stress is defined as the force that causes the deformation divided by the affected area.
• Strain is defined as the displacement of the particles of the substance relative to a specific length.

Types of modulus of elasticity

There are 3 main types of elastic modulus:

• Young’s modulus
• Shear modulus
• Bulk modulus

These are the elastic moduli most frequently used in engineering. Diamo un’occhiata a ciascun tipo e a come possono essere usati prima di entrare nelle unità del modulo di elasticità.

Modulo di Young

Questo è quello a cui la maggior parte delle persone si riferisce quando dicono ‘modulo elastico’. Descrive la quantità di materiale che si deforma lungo un dato asse quando vengono applicate forze di trazione, noto anche come elasticità a trazione. Può essere descritto in termini semplici come una misura della rigidità.

Il modulo di Young può essere semplificato come la tendenza di una sostanza a diventare più lunga e più sottile.

E’ definito come lo sforzo di trazione diviso per la deformazione di trazione (o il rapporto tra sforzo e deformazione) e viene indicato come E nei calcoli.

La principale applicazione del modulo di Young è prevedere l’estensione che può avvenire sotto tensione o l’accorciamento che può avvenire sotto compressione. Questo è utile quando si progettano travi o colonne in ingegneria strutturale, per esempio.

Modulo di taglio

Il modulo di taglio di un materiale è una misura della sua rigidità. Si usa quando una forza parallela a un dato asse è incontrata da una forza opposta, come l’attrito. Può essere semplificato come la tendenza di una sostanza a passare da una forma rettangolare a un parallelogramma.

Il modulo di taglio è definito come il rapporto tra lo sforzo di taglio e la deformazione di taglio e viene indicato con i simboli G, S o µ.

Il modulo di taglio è più spesso usato nei calcoli che coinvolgono due materiali in contatto e soggetti a forze opposte, cioè lo sfregamento insieme.

Modulo di massa

Il modulo di massa è una proprietà termodinamica che riguarda la resistenza alla compressione di una sostanza. Può essere semplificato come la tendenza del volume di una sostanza a cambiare, ma la forma rimane la stessa.

È definito come il rapporto tra l’aumento di pressione e la diminuzione di volume relativo. Viene indicato con i simboli K o B.

Si usa più spesso quando si studiano le proprietà dei fluidi sotto compressione.

Come si misura il modulo elastico?

Per questa sezione ci concentreremo sul modulo di Young, poiché è quello più comunemente associato all’elasticità.

I metodi di misurazione più comuni sono l’applicazione di una prova di trazione, di flessione o di vibrazione a frequenza naturale. Le prove di flessione e di trazione si basano sull’applicazione della legge di Hooke e sono indicate come metodi statici. L’uso della frequenza naturale fornisce un modulo elastico dinamico in quanto il test viene eseguito utilizzando le vibrazioni.

I metodi statici vengono eseguiti applicando forze parallele o perpendicolari misurabili e registrando il cambiamento di lunghezza o la quantità di deformazione. Vengono utilizzati dispositivi accurati che misurano lunghezze molto piccole, conosciuti come ‘estensometri’ o estensimetri meccanici.

Unità del modulo di elasticità

Le unità del modulo di elasticità sono unità di pressione, in quanto è definito come lo stress (unità di pressione) diviso per la deformazione (senza dimensione). Più comunemente le unità sono Pascal (Pa) che è l’unità SI, o libbre per pollice quadrato (psi) a seconda dell’industria o della posizione geografica. In Europa, il Pa è più comune, negli Stati Uniti, il psi è l’unità più comune del modulo di elasticità.

Alcuni esempi di valori del modulo di elasticità (modulo di Young) dei materiali sono i seguenti:

• La gomma ha un basso modulo di Young di 0,01 a 0,1 GPa in quanto è altamente elastico.
• Il diamante ha un alto modulo di Young di 1050-1200 GPa in quanto è altamente rigido.
• Il carbyne ha il più alto modulo di Young conosciuto di 32100 GPa che significa che è il materiale meno elastico o più rigido conosciuto al momento.