Was ist der Bulk-Modul?
Materialien können im Allgemeinen komprimiert werden, wenn sie äußeren Drücken ausgesetzt werden, die auf ihre Oberflächen ausgeübt werden. Die Verringerung des Volumens eines Materials unter einem gegebenen Druck variiert stark von Material zu Material. Gase werden im Allgemeinen am einfachsten unter Druck komprimiert, wohingegen Feststoffe relativ wenig und mit großen Schwierigkeiten komprimiert werden können. Der Kompressionsmodul ist eine Materialeigenschaft, die den Grad der Beständigkeit eines Materials gegen Kompression angibt. Es kann auch durch eine Anzahl von anderen Begriffen, wie z. B. dem Massenelastizitätsmodul, dem Kompressionsmodul und anderen, bezeichnet werden.
Eine Möglichkeit, dies zu betrachten, ist die Umkehrung der Kompressibilität. Ein hoher Kompressionsmodul für ein Material zeigt einen relativ hohen Widerstand gegen Kompression an, was bedeutet, dass es schwer zu komprimieren ist. Ein niedriger Wert zeigt einen relativ geringen Widerstand gegen Kompression an, was bedeutet, dass das Material relativ leicht komprimiert werden kann. Beispielsweise ist der Kompressionsmodul von Stahl um einige Größenordnungen größer als der von Luft, der mit einem Luftkompressor relativ leicht komprimiert werden kann.
Die Werte des Modulvolumens eines Materials variieren in Abhängigkeit von Faktoren wie der Temperatur dieses Materials oder der darin eingemischten Luftmenge. Wenn sich ein Material erwärmt, dehnt sich sein Volumen im Allgemeinen aus, wodurch sich eine offenere physikalische Struktur ergibt, die leichter zu komprimieren ist. Luft, die in einem Material eingeschlossen ist, beeinflusst auch die physikalische Struktur eines Materials, wodurch sein Kompressionsmodul beeinflusst wird.
Einige Flüssigkeiten, wie z. B. Wasser oder Hydraulikflüssigkeit, werden gelegentlich als inkompressible Flüssigkeiten bezeichnet. Dies ist nicht genau genug, aber da ihre Kompressibilität relativ gering ist, kann der Kompressionsmodul bei einigen technischen Berechnungen ignoriert werden. Unter bestimmten Umständen, z. B. in Hochdrucksituationen, muss dies jedoch berücksichtigt werden, um eine ordnungsgemäße Systemkonstruktion und -funktion sicherzustellen.
Beispielsweise kann die Leistung von hydraulischen Geräten unter sehr hohem Druck beeinträchtigt werden, wenn der Kompressionsmodul des Hydraulikfluids bei der Systemkonstruktion nicht berücksichtigt wird. Dies ist darauf zurückzuführen, dass beim Komprimieren der Hydraulikflüssigkeit etwas Energie aufgewendet wird, anstatt direkt auf die von der Anlage ausgeführte Arbeit zuzugehen. Das Fluid im System muss bis zu dem Punkt komprimiert werden, an dem es einer weiteren Kompression widersteht, bevor die Ausrüstung und die Last beaufschlagt werden. Die Ablenkung der Energie von der Hauptaufgabe kann sich auf die Position des Geräts, die für die vorgesehene Funktion verfügbare Leistung, die Reaktionszeit usw. auswirken.
Der Kompressionsmodul ist in Bezug auf Feststoffe weniger häufig ein interessantes Merkmal, da sie typischerweise extrem schwer zu komprimieren sind, aber unter bestimmten Umständen relevant sind. Die Geschwindigkeit, mit der sich Schall durch einen Festkörper bewegt, hängt zum Teil vom Modul des Materials ab. Die Menge an Energie, die in einem Feststoff gespeichert werden kann, hängt auch mit dieser Eigenschaft zusammen, sodass sie für die Untersuchung von Erdbeben und seismischen Wellen relevant ist.
Als mathematische Funktion wird diese Materialeigenschaft als Verhältnis des angelegten Drucks zur Volumenänderung der Substanz pro Volumeneinheit ausgedrückt. Dies ergibt einen Wert, der in denselben Einheiten ausgedrückt wird, die zum Ausdrücken des Drucks verwendet werden, da sich die Volumeneinheiten aufheben. In grafischer Form ist dies die Steigung der Kurve, die durch Auftragen der auf ein Material ausgeübten Drücke gegen die entsprechenden spezifischen Volumina des Materials bei diesen Drücken gebildet wird.