Força específica - Specific strength
A força específica é a força de um material (força por unidade de área na falha) dividida por sua densidade . É também conhecido como a relação força-peso ou relação força / peso ou relação força-massa . Em aplicações de fibras ou têxteis, a tenacidade é a medida usual de resistência específica. A unidade SI para força específica é Pa ⋅ m 3 / kg , ou N ⋅m / kg, que é dimensionalmente equivalente a m 2 / s 2 , embora a última forma raramente seja usada. A força específica tem as mesmas unidades que a energia específica e está relacionada à energia específica máxima de rotação que um objeto pode ter sem se separar devido à força centrífuga .
Outra forma de descrever a resistência específica é o comprimento de ruptura , também conhecido como comprimento de auto-suporte : o comprimento máximo de uma coluna vertical do material (assumindo uma seção transversal fixa) que poderia suspender seu próprio peso quando apoiado apenas no topo. Para esta medição, a definição de peso é a força da gravidade na superfície da Terra ( gravidade padrão , 9,80665 m / s 2 ) aplicada a todo o comprimento do material, não diminuindo com a altura. Esse uso é mais comum com certas fibras especiais ou aplicações têxteis.
Os materiais com as resistências específicas mais altas são normalmente fibras, como fibra de carbono , fibra de vidro e vários polímeros, e são frequentemente usados para fazer materiais compostos (por exemplo, fibra de carbono-epóxi ). Esses materiais e outros, como titânio , alumínio , magnésio e ligas de aço de alta resistência , são amplamente usados na indústria aeroespacial e em outras aplicações onde a economia de peso compensa o custo do material mais alto.
Observe que a resistência e a rigidez são distintas. Ambos são importantes no projeto de estruturas eficientes e seguras.
Cálculos de comprimento de ruptura
onde é o comprimento, é a resistência à tração, é a densidade e é a aceleração devido à gravidade ( m / s )
Exemplos
Material |
Resistência à tração ( MPa ) |
Densidade ( g / cm 3 ) |
Força específica ( kN · m / kg ) |
Comprimento de ruptura ( km ) |
Fonte |
---|---|---|---|---|---|
Concreto | 2-5 | 2,30 | 5,22 | 0,44 | |
Polioximetileno (POM) | 69 | 1,42 | 4,95 | ||
Borracha | 15 | 0,92 | 16,3 | 1,66 | |
Cobre | 220 | 8,92 | 24,7 | 2,51 | |
Polipropileno / PP | 25–40 | 0,90 | 28-44 | 2,8-4,5 | |
(Poli) acrilonitrila-butadieno-estireno / ABS | 41-45 | 1.05 | 39-43 | ||
Polietileno tereftalato / Poliéster / PET | 80 | 1,3-1,4 | 57-62 | ||
Fio de piano / ASTM 228 em aço | 1590–3340 | 7,8 | 204-428 | ||
Ácido polilático / Polilactídeo / PLA | 53 | 1,24 | 43 | ||
Aço de baixo carbono (AISI 1010) | 365 | 7,87 | 46,4 | 4,73 | |
Aço inoxidável (304) | 505 | 8,00 | 63,1 | 6,4 | |
Aço maraging (C350) | 2358 | 8,08 | 291,74 | 29,7 | |
Latão | 580 | 8,55 | 67,8 | 6,91 | |
Nylon | 78 | 1,13 | 69,0 | 7,04 | |
Titânio | 344 | 4,51 | 76 | 7,75 | |
Aço CrMo (4130) | 560-670 | 7,85 | 71-85 | 7,27-8,70 | |
Liga de alumínio (6061-T6) | 310 | 2,70 | 115 | 11,70 | |
Carvalho | 90 | 0,78-0,69 | 115-130 | 12-13 | |
Inconel (X-750) | 1250 | 8,28 | 151 | 15,4 | |
Liga de magnésio | 275 | 1,74 | 158 | 16,1 | |
Liga de alumínio (7075-T6) | 572 | 2,81 | 204 | 20,8 | |
Madeira de pinho (branco oriental americano) | 78 | 0,35 | 223 | 22,7 | |
Liga de titânio ( Beta C ) | 1250 | 4,81 | 260 | 26,5 | |
Bainite | 2500 | 7,87 | 321 | 32,4 | |
Balsa | 73 | 0,14 | 521 | 53,2 | |
Composto de carbono-epóxi | 1240 | 1,58 | 785 | 80,0 | |
seda de aranha | 1400 | 1,31 | 1069 | 109 | |
Fibra de carboneto de silício | 3440 | 3,16 | 1088 | 110 | |
Fio de nanotubo de carbono Miralon série C | 1375 | 0,7–0,9 | 1100 | 112 | |
Fibra de vidro | 3400 | 2,60 | 1307 | 133 | |
Fibra de basalto | 4840 | 2,70 | 1790 | 183 | |
1? M de ferro suiças | 14000 | 7,87 | 1800 | 183 | |
Vectran | 2900 | 1,40 | 2071 | 211 | |
Fibra de carbono (AS4) | 4300 | 1,75 | 2457 | 250 | |
Kevlar | 3620 | 1,44 | 2514 | 256 | |
Dyneema ( UHMWPE ) | 3600 | 0,97 | 3711 | 378 | |
Zylon | 5800 | 1,54 | 3766 | 384 | |
Fibra de carbono (Toray T1100G) | 7000 | 1,79 | 3911 | 399 | |
Nanotubo de carbono (ver nota abaixo) | 62000 | 0,037-1,34 | 46268 – N / A | 4716 – N / A | |
Tubo de carbono colossal | 6900 | 0,116 | 59483 | 6066 | |
Grafeno | 130500 | 2.090 | 62453 | 6366 | |
Limite fundamental | 9 × 10 13 | 9,2 × 10 12 |
Os dados desta tabela são dos melhores casos e foram estabelecidos para fornecer uma figura aproximada.
- Nota: Nanotubos de carbono com paredes múltiplas têm a maior resistência à tração de qualquer material já medido, com laboratórios produzindo-os a uma resistência à tração de 63 GPa, ainda bem abaixo de seu limite teórico de 300 GPa. Os primeiros cabos de nanotubos (20 mm de comprimento), cuja resistência à tração foi publicada (em 2000), tinham uma resistência de 3,6 GPa, ainda bem abaixo do limite teórico. A densidade é diferente dependendo do método de fabricação e o valor mais baixo é 0,037 ou 0,55 (sólido).
O 'Yuri' e as amarras espaciais
O International Space Elevator Consortium usa o "Yuri" como um nome para as unidades SI que descrevem a força específica. A resistência específica é de fundamental importância na descrição dos materiais dos cabos do elevador espacial . Um Yuri é concebido para ser a unidade SI para tensão de escoamento (ou tensão de ruptura) por unidade de densidade de um material sob tensão. Um Yuri é igual a 1 Pa⋅m 3 / kg ou 1 N ⋅ m / kg , que é a força de ruptura / cedência por densidade linear do cabo sob tensão. Um elevador espacial funcional da Terra exigiria uma corda de 30-80 megaYuri (correspondendo a 3100-8200 km de comprimento de ruptura).
Limite fundamental na força específica
A condição de energia nula coloca um limite fundamental na resistência específica de qualquer material. A força específica é limitada a não ser maior que c 2 ~9 × 10 13 kN ⋅ m / kg , onde c é a velocidade da luz . Este limite é alcançado por linhas de campo elétrico e magnético, tubos de fluxo QCD e as cordas fundamentais hipotetizadas pela teoria das cordas .
Tenacidade (resistência têxtil)
A tenacidade é a medida usual de resistência de uma fibra ou fio . Geralmente é definida como a força final (de ruptura) da fibra (em unidades de força- grama ) dividida pelo denier . Como o denier é uma medida da densidade linear, a tenacidade não é uma medida de força por unidade de área, mas sim uma medida quase adimensional análoga à força específica. Uma tenacidade de corresponde a: Principalmente tenacidade expressa no relatório como cN / tex.
Veja também
Referências
links externos
- Rigidez específica - gráfico de força específica , Universidade de Cambridge, Departamento de Engenharia