Co to jest moduł Younga?
Moduł Younga jest miarą tego, jak trudno jest ściśnąć materiał, taki jak stal. Mierzy ciśnienie i jest zwykle obliczany w kategoriach paskali (Pa). Jest on najczęściej używany przez fizyków do określania naprężenia, pomiaru, w jaki sposób materiał reaguje na ciśnienie, takie jak ściskanie lub rozciąganie.
Siły międzyatomowe lub siły, które utrzymują materiał razem, są ściśle związane ze zrozumieniem modułu Younga. Atomy w ciele wywierają na siebie zarówno odpychające, jak i ujemne oraz atrakcyjne lub pozytywne siły. Siły, które wytwarzają atomy, osiągają równowagę tylko wtedy, gdy są idealnie oddzielone. Na przykład, jeśli atomy zostaną zepchnięte zbyt blisko siebie lub jeśli zostaną rozdzielone zbyt daleko od siebie, atomy nie będą już w doskonałej równowadze. Gdy nie będą już w równowadze, będą przeciwstawiać się zastosowanym wobec nich działaniom.
Im sztywniejsze siły międzyatomowe, tym większa wartość modułu Younga i tym bardziej materiał będzie przeciwstawiał się działaniu. Na przykład, jeśli siły międzyatomowe są sztywne, moduł Younga będzie duży, a materiał nie zmniejszy się tak bardzo, gdy zostanie ściśnięty.
Badając fizykę stali, naukowiec musi najpierw pamiętać, że stal składa się głównie z atomów żelaza. W konsekwencji moduł Younga stali jest mniej więcej taki sam jak moduł Younga żelaza. Ponieważ moduł Younga żelaza wynosi 195 000 000 000 Pa lub 195 gigapaskali (GPa), uważa się go za bardzo duży i bardzo trudny do kompresji.
Zrozumienie, że stal jest niezwykle trudna do ściskania, jest ważne w życiu codziennym. Na przykład można go wykorzystać do budowy budynków i nie poddawać się kompresji, co psuje integralność konstrukcji budynku. Sześcian ze stali, który ma szerokość, wysokość i głębokość zaledwie 1 metr (3,28 stopy), ściskałby tylko około jednego mikrona, utrzymując ciężar jednego autobusu szkolnego, ze względu na siłę, jaką może wytrzymać. Dla porównania sześcian złożony z tych samych wymiarów i wykonany z ołowiu ma niższą wartość dla modułu Younga. Ołów sześcian ściskałby 14 razy więcej niż sześcian stalowy.
Moduł Younga może być również wykorzystywany do obliczania napięcia, w którym atomy są rozłączane zamiast ściśnięte. W takich przypadkach odkształcenie jest ujemne, ponieważ atomy są rozciągane zamiast sprężane. Główną koncepcją, którą należy zrozumieć, jest to, że w obu przypadkach mierzy się sztywność sił między atomami - niezależnie od tego, czy są one ściskane, czy rozciągane. W konsekwencji ciśnienie obliczone dla modułu Younga nie zmienia się dla żadnego rodzaju pomiaru.