Wat is de modulus van Young?

De modulus van Young is een maat voor hoe moeilijk het is om een ​​materiaal, zoals staal, samen te drukken. Het meet de druk en wordt meestal berekend in termen van pascal (Pa). Het wordt meestal gebruikt door natuurkundigen om de spanning te bepalen, een meting van hoe een materiaal reageert op een druk, zoals bekneld of uitgerekt.

Interatomaire krachten of de krachten die een materiaal bij elkaar houden, worden sterk geassocieerd met een begrip van Young's modulus. De atomen in een vaste stof oefenen zowel afstotende, als negatieve en aantrekkelijke of positieve krachten op elkaar uit. De krachten die de atomen creëren, bereiken alleen een evenwicht wanneer ze perfect gescheiden zijn. Als de atomen bijvoorbeeld te dicht bij elkaar worden geduwd of als ze te ver uit elkaar worden gescheiden, zullen de atomen niet langer in perfecte balans zijn. Als ze niet langer in balans zijn, zullen ze zich verzetten tegen de actie die op hen wordt toegepast.

Hoe stijver de interatomaire krachten zijn, hoe groter de moduluswaarde van Young zal zijn, en hoe meer het materiaal de actie zal weerstaan. Als de interatomaire krachten bijvoorbeeld stijf zijn, is de modulus van Young groot en krimpt het materiaal niet zoveel als het wordt samengedrukt.

Bij het bestuderen van de fysica van staal moet een wetenschapper eerst onthouden dat staal voornamelijk uit ijzeratomen bestaat. Bijgevolg is de staalmodulus van de Young ongeveer dezelfde als de ijzermodulus van de Young. Aangezien de ijzermodulus van de Young 195.000.000.000 Pa of 195 gigapascal (GPa) is, wordt deze als zeer groot en zeer moeilijk te comprimeren beschouwd.

Inzicht in het feit dat staal extreem moeilijk te comprimeren is, is belangrijk in het dagelijks leven. Het kan bijvoorbeeld worden gebruikt om gebouwen te bouwen en niet worden samengedrukt, waardoor de integriteit van de gebouwstructuur wordt aangetast. Een kubus van staal met een breedte, hoogte en diepte van slechts 1 meter, comprimeert slechts ongeveer één micron terwijl het gewicht van één schoolbus wordt ondersteund, vanwege de hoeveelheid druk die het kan weerstaan. Ter vergelijking: een kubus die uit dezelfde afmetingen bestaat en van lood is gemaakt, heeft een lagere waarde voor de modulus van Young. De loden kubus zou 14 keer meer samendrukken dan de stalen kubus.

De modulus van Young kan ook worden gebruikt bij het berekenen van spanning, waarbij de atomen uit elkaar worden getrokken in plaats van samengedrukt. In die gevallen is de spanning negatief omdat de atomen worden uitgerekt in plaats van samengedrukt. Het belangrijkste concept dat moet worden begrepen, is dat in beide gevallen de stijfheid van de krachten tussen de atomen wordt gemeten - of deze worden samengedrukt of uitgerekt. Bijgevolg verandert de voor de modulus van Young berekende druk niet voor beide soorten metingen.