Wat is de bulkmodulus?
Materialen kunnen in het algemeen worden samengedrukt wanneer ze worden blootgesteld aan externe druk die op hun oppervlakken wordt uitgeoefend. De vermindering van het volume van een materiaal onder een gegeven druk varieert sterk van materiaal tot materiaal. Gassen worden over het algemeen het gemakkelijkst onder druk gecomprimeerd, terwijl vaste stoffen relatief weinig en met grote moeite kunnen worden gecomprimeerd. De bulkmodulus is een materiaaleigenschap die de mate van weerstand van een materiaal tegen compressie aangeeft. Er kan ook naar worden verwezen door een aantal andere termen zoals de bulkmodulus van elasticiteit, de compressiemodulus en andere.
Een manier om eraan te denken is als de wederkerigheid van samendrukbaarheid. Hoge bulkmodulus voor een materiaal duidt op een relatief hoge weerstand tegen compressie, wat betekent dat het moeilijk te comprimeren is. Een lage waarde geeft relatief weinig weerstand tegen compressie aan, wat betekent dat het materiaal relatief gemakkelijk kan worden gecomprimeerd. De bulkmodulus van staal is bijvoorbeeld verschillende ordes van grootte groter dan die van lucht, die relatief gemakkelijk kan worden gecomprimeerd met een luchtcompressor.
Waarden van de bulkmodulus van een materiaal variëren afhankelijk van factoren zoals de temperatuur van dat materiaal of de hoeveelheid lucht die erin wordt gemengd. Naarmate een materiaal warmer wordt, zal het volume over het algemeen uitzetten, wat resulteert in een meer open fysieke structuur die gemakkelijker te comprimeren is. Lucht ingesloten in een materiaal beïnvloedt ook de fysieke structuur van een materiaal waardoor de bulkmodulus wordt beïnvloed.
Sommige vloeistoffen, zoals water of hydraulische vloeistof, worden soms terloops aangeduid als niet-samendrukbare vloeistoffen. Dit is niet strikt nauwkeurig, maar omdat hun samendrukbaarheid relatief laag is, kan de bulkmodulus in sommige technische berekeningen worden genegeerd. Onder bepaalde omstandigheden, zoals in sommige situaties met hoge druk, moet er echter rekening mee worden gehouden om een goed systeemontwerp en -functie te garanderen.
De prestaties van hydraulische apparatuur onder zeer hoge druk kunnen bijvoorbeeld verslechteren als bij het systeemontwerp geen rekening wordt gehouden met de bulkmodulus van de hydraulische vloeistof. Dit komt omdat er wat energie wordt verbruikt bij het comprimeren van de hydraulische vloeistof in plaats van rechtstreeks naar het werk te gaan dat de apparatuur uitvoert. De vloeistof in het systeem moet worden samengedrukt tot het punt waarop het bestand is tegen verdere compressie voordat op de apparatuur en de belasting wordt ingegaan. Omleiding van energie van de primaire taak kan de positie van de apparatuur, de beschikbare stroom voor de beoogde functie, responstijd, enzovoort beïnvloeden.
De bulkmodulus is minder vaak een kenmerk van belang met betrekking tot vaste stoffen, omdat ze typisch extreem moeilijk te comprimeren zijn, maar in sommige omstandigheden relevant. De snelheid waarmee geluid door een vaste stof reist, hangt gedeeltelijk af van de bulkmodulus van het materiaal. De hoeveelheid energie die kan worden opgeslagen in een vaste stof is ook gerelateerd aan deze eigenschap, dus het is relevant voor de studie van aardbevingen en seismische golven.
Als een wiskundige functie wordt deze materiaaleigenschap uitgedrukt als de verhouding van de uitgeoefende druk tot de volumeverandering van de stof per volume-eenheid. Dit levert een waarde op uitgedrukt in dezelfde eenheden die worden gebruikt om druk uit te drukken, omdat de volume-eenheden opheffen. In grafische vorm is dit de helling van de curve die wordt gevormd door de op een materiaal uitgeoefende drukken uit te zetten tegen de overeenkomstige specifieke volumes van het materiaal bij die drukken.