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Elastische Querverformung

Storyboard

Wenn ein Drehmoment auf die Oberfläche eines Körpers ausgeübt wird, entsteht gleichzeitig ein Bereich, in dem das Material komprimiert wird, und ein anderer Bereich, in dem es sich ausdehnt. Dies führt zu einer Bewegung, die senkrecht zum Normalenvektor der Oberfläche verläuft. Dieses Phänomen wird als Querdeformation bezeichnet.

>Modell

ID:(2064, 0)



Mechanismen

Iframe

>Top



Code
Konzept

Mechanismen

ID:(15372, 0)



Modell

Top

>Top



Parameter

Symbol
Text
Variable
Wert
Einheiten
Berechnen
MKS-Wert
MKS-Einheiten
$E$
E
Elastizitätsmodul
Pa
$\nu$
nu
Poisson Koeffizient
-
$G$
G
Schermodul
Pa

Variablen

Symbol
Text
Variable
Wert
Einheiten
Berechnen
MKS-Wert
MKS-Einheiten
$\tau$
tau
Drehmoment
Pa
$\gamma$
gamma
Drehwinkel
rad
$\gamma_3$
gamma_3
Scherwinkel in der $xy$-Ebene
rad
$\gamma_1$
gamma_1
Scherwinkel in der $yz$-Ebene
rad
$\gamma_2$
gamma_2
Scherwinkel in der $zx$-Ebene
rad
$\sigma_1$
sigma_1
Spannung auf der Achse $x$
Pa
$\sigma_2$
sigma_2
Spannung auf der Achse $y$
Pa
$\sigma_3$
sigma_3
Spannung auf der Achse $z$
Pa
$\tau_1$
tau_1
Torsion in der $x$-Achse
Pa
$\tau_2$
tau_2
Torsion in der $y$-Achse
Pa
$\tau_3$
tau_3
Torsion in der $z$-Achse
Pa
$\epsilon_1$
e_1
Verformung der Koordinate $x$
-
$\epsilon_2$
e_2
Verformung des Koordinaten $y$
-
$\epsilon_3$
e_3
Verformung des Koordinaten $z$
-
$W$
W
Verformungsenergie
J
$w$
w
Verformungsenergiedichte
$V$
V
Volumen
m^3

Berechnungen


Zuerst die Gleichung auswählen: zu , dann die Variable auswählen: zu

Berechnungen

Symbol
Gleichung
Gelöst
Übersetzt

Berechnungen

Symbol
Gleichung
Gelöst
Übersetzt

Variable Gegeben Berechnen Ziel : Gleichung Zu verwenden




Gleichungen

#
Gleichung

$ E =2 G (1+ \nu )$

E =2* G *(1+ nu )


$ \tau = G \gamma $

tau = G * gamma


$ w =\displaystyle\frac{1}{2} E ( \epsilon_1 ^2+ \epsilon_2 ^2+ \epsilon_3 ^2) \displaystyle\frac{1}{2} G ( \gamma_1 ^2+ \gamma_2 ^2+ \gamma_3 ^2)$

w = E *( e_1 ^2+ e_2 ^2+ e_3 ^2)/2 + G *( g_1 ^2+ g_2 ^2+ g_3 ^2)/2


$ w =\displaystyle\frac{1}{2} E ( \sigma_1 ^2+ \sigma_2 ^2+ \sigma_3 ^2)+ \displaystyle\frac{1}{2 G }( \tau_1 ^2+ \tau_2 ^2+ \tau_3 ^2)$

w = E *( s_1 ^2+ s_2 ^2+ s_3 ^2)/2 + G *( t_1 ^2+ t_2 ^2+ t_3 ^2)/2


$ W =\displaystyle\frac{1}{2} V G \gamma ^2$

W = V * G * g^2/2


$ W =\displaystyle\frac{1}{2 G } V \tau ^2$

W = V * t ^2/(2* G )


$ W =\displaystyle\frac{1}{2 E } V ( \sigma_1 ^2+ \sigma_2 ^2+ \sigma_3 ^2)+\displaystyle\frac{1}{2 G } V ( \tau_1 ^2+ \tau_2 ^2+ \tau_3 ^2)$

W = V *( s_1 ^2 + s_2 ^2 + s_3 ^2)/(2* E )+ V * ( t_1 ^2+ t_2 ^2+ t_3 ^2)/(2* G )


$ W =\displaystyle\frac{1}{2} V E ( \epsilon_1 ^2+ \epsilon_2 ^2+ \epsilon_3 ^2) +\displaystyle\frac{1}{2} V G ( \gamma_1 ^2+ \gamma_2 ^2+ \gamma_3 ^2)$

W =( V * E /2)( e_1 ^2+ e_2 ^2+ e_3 ^2)+( V * G/2)( g_1 ^2+ g_2 ^2+ g_3 ^2)

ID:(15373, 0)



Hooke Gesetz für den Scher Fall

Gleichung

>Top, >Modell


Bei Scherung geht die Verformung nicht mit einer Dehnung oder Stauchung einher, sondern mit einem seitlichen Versatz der Würfelflächen. Die Scherung wird daher durch den Winkel \gamma beschrieben, mit dem es möglich ist, die Fläche senkrecht zu den verschobenen Flächen zu drehen. In Analogie zum Hook'schen Gesetz für Stauchung und Dehnung haben wir den Zusammenhang zwischen Torsion \tau und Winkel \gamma:

$ \tau = G \gamma $

$\tau$
Drehmoment
$Pa$
5366
$\gamma$
Drehwinkel
$rad$
5367
$G$
Schermodul
$Pa$
5364

wobei G der sogenannte Schubmodul ist.

ID:(3771, 0)



Schubmodul

Gleichung

>Top, >Modell


Der Schubmodul G hängt mit dem Elastizitätsmodul E und der Querkontraktionszahl
u
zusammen

$ E =2 G (1+ \nu )$

$E$
Elastizitätsmodul
$Pa$
5357
$\nu$
Poisson Koeffizient
$-$
5365
$G$
Schermodul
$Pa$
5364

wobei G der sogenannte Schubmodul ist.

ID:(3772, 0)



Scherenergie

Gleichung

>Top, >Modell


Analog zur Dehnungsenergie ist die Scherenergie proportional zum Quadrat des Scherwinkels \gamma, wobei die Konstante in diesem Fall der Schubmodul ist:

$ W =\displaystyle\frac{1}{2} V G \gamma ^2$

$\gamma$
Drehwinkel
$rad$
5367
$G$
Schermodul
$Pa$
5364
$W$
Verformungsenergie
$J$
5368
$V$
Volumen
$m^3$
5226

ID:(3789, 0)



Energie Scheren und Torsion

Gleichung

>Top, >Modell


Da die Dehnungsenergie ist

$W=\displaystyle\frac{1}{2}VG\gamma^2$



mit dem Hookschen Gesetz für Materialien

$\tau=G\gamma$



erhält man:

$ W =\displaystyle\frac{1}{2 G } V \tau ^2$

$\tau$
Drehmoment
$Pa$
5366
$G$
Schermodul
$Pa$
5364
$W$
Verformungsenergie
$J$
5368
$V$
Volumen
$m^3$
5226

ID:(3791, 0)



Verformung und Scherenergie

Gleichung

>Top, >Modell


Das Verhältnis von Energie W, Volumen V, Elastizitätsmodul E und Dehnung \epsilon

$W=\displaystyle\frac{1}{2}VE\epsilon^2$



und die Scherenergie mit Winkel \gamma und Schubmodul

$W=\displaystyle\frac{1}{2}VG\gamma^2$



lässt sich auf den dreidimensionalen Fall verallgemeinern:

$ W =\displaystyle\frac{1}{2} V E ( \epsilon_1 ^2+ \epsilon_2 ^2+ \epsilon_3 ^2) +\displaystyle\frac{1}{2} V G ( \gamma_1 ^2+ \gamma_2 ^2+ \gamma_3 ^2)$

$E$
Elastizitätsmodul
$Pa$
5357
$G$
Schermodul
$Pa$
5364
$\gamma_3$
Scherwinkel in der $xy$-Ebene
$rad$
5374
$\gamma_1$
Scherwinkel in der $yz$-Ebene
$rad$
5372
$\gamma_2$
Scherwinkel in der $zx$-Ebene
$rad$
5373
$\epsilon_1$
Verformung der Koordinate $x$
$-$
5369
$\epsilon_2$
Verformung des Koordinaten $y$
$-$
5370
$\epsilon_3$
Verformung des Koordinaten $z$
$-$
5371
$W$
Verformungsenergie
$J$
5368
$V$
Volumen
$m^3$
5226

wobei \epsilon_i die Verformung in jeder Achse darstellt.

ID:(3766, 0)



Spannung und Torsion Energie

Gleichung

>Top, >Modell


Mit dem Zusammenhang von Energie W, Volumen V, Elastizitätsmodul E und Verformungen \epsilon_i

$W=\displaystyle\frac{1}{2}VE(\epsilon_1^2+\epsilon_2^2+\epsilon_3^2)$



und Hooksches Gesetz für kontinuierliches Material

$\sigma_i=E\epsilon_i$



Energie kann als Funktion der Spannung geschrieben werden

$ W =\displaystyle\frac{1}{2 E } V ( \sigma_1 ^2+ \sigma_2 ^2+ \sigma_3 ^2)+\displaystyle\frac{1}{2 G } V ( \tau_1 ^2+ \tau_2 ^2+ \tau_3 ^2)$

$E$
Elastizitätsmodul
$Pa$
5357
$G$
Schermodul
$Pa$
5364
$\sigma_1$
Spannung auf der Achse $x$
$Pa$
5380
$\sigma_2$
Spannung auf der Achse $y$
$Pa$
5381
$\sigma_3$
Spannung auf der Achse $z$
$Pa$
5382
$\tau_1$
Torsion in der $x$-Achse
$Pa$
5383
$\tau_2$
Torsion in der $y$-Achse
$Pa$
5384
$\tau_3$
Torsion in der $z$-Achse
$Pa$
5385
$W$
Verformungsenergie
$J$
5368
$V$
Volumen
$m^3$
5226

wobei \epsilon_i die Verformung in jeder Achse darstellt.

ID:(3767, 0)



Dehnungsenergiedichte und Scher

Gleichung

>Top, >Modell


Da die Energie W ist

$ W =\displaystyle\frac{1}{2} V E ( \epsilon_1 ^2+ \epsilon_2 ^2+ \epsilon_3 ^2) +\displaystyle\frac{1}{2} V G ( \gamma_1 ^2+ \gamma_2 ^2+ \gamma_3 ^2)$



wobei V das Volumen, E der Elastizitätsmodul und \epsilon_i die Dehnung ist, kann die Energiedichte berechnet werden

$ w =\displaystyle\frac{ W }{ V }$



Also hat man:

$ w =\displaystyle\frac{1}{2} E ( \epsilon_1 ^2+ \epsilon_2 ^2+ \epsilon_3 ^2) \displaystyle\frac{1}{2} G ( \gamma_1 ^2+ \gamma_2 ^2+ \gamma_3 ^2)$

$E$
Elastizitätsmodul
$Pa$
5357
$G$
Schermodul
$Pa$
5364
$\gamma_3$
Scherwinkel in der $xy$-Ebene
$rad$
5374
$\gamma_1$
Scherwinkel in der $yz$-Ebene
$rad$
5372
$\gamma_2$
Scherwinkel in der $zx$-Ebene
$rad$
5373
$\epsilon_1$
Verformung der Koordinate $x$
$-$
5369
$\epsilon_2$
Verformung des Koordinaten $y$
$-$
5370
$\epsilon_3$
Verformung des Koordinaten $z$
$-$
5371
$W$
Verformungsenergiedichte
$J/m^3$
5375

wobei \epsilon_i die Verformung in jeder Achse darstellt.

ID:(3768, 0)



Energiedichte Spannung und Torsion

Gleichung

>Top, >Modell


Da die Energie W ist

$ W =\displaystyle\frac{1}{2 E } V ( \sigma_1 ^2+ \sigma_2 ^2+ \sigma_3 ^2)+\displaystyle\frac{1}{2 G } V ( \tau_1 ^2+ \tau_2 ^2+ \tau_3 ^2)$



wobei V das Volumen, E der Elastizitätsmodul und \sigma_i die Spannung ist, kann die Energiedichte berechnet werden

$ w =\displaystyle\frac{ W }{ V }$



Also hat man:

$ w =\displaystyle\frac{1}{2} E ( \sigma_1 ^2+ \sigma_2 ^2+ \sigma_3 ^2)+ \displaystyle\frac{1}{2 G }( \tau_1 ^2+ \tau_2 ^2+ \tau_3 ^2)$

$E$
Elastizitätsmodul
$Pa$
5357
$G$
Schermodul
$Pa$
5364
$\sigma_1$
Spannung auf der Achse $x$
$Pa$
5380
$\sigma_2$
Spannung auf der Achse $y$
$Pa$
5381
$\sigma_3$
Spannung auf der Achse $z$
$Pa$
5382
$\tau_1$
Torsion in der $x$-Achse
$Pa$
5383
$\tau_2$
Torsion in der $y$-Achse
$Pa$
5384
$\tau_3$
Torsion in der $z$-Achse
$Pa$
5385
$W$
Verformungsenergiedichte
$J/m^3$
5375

wobei \epsilon_i die Verformung in jeder Achse darstellt.

ID:(3769, 0)