Gerilim ve gerinim

Malzemelerin mekanik davranışlarına gerilim ve gerinim kavramlarını tanımlayarak giriş yapalım.

Gerilim

Katı mekaniği kapsamında kullandığımız anlamıyla gerilim (ya da gerilme), birim alana etki eden kuvvet miktarını temsil ediyor (İngilizce: stress). Bilimsel terminolojinin kökeni çoğunlukla Latin ve Cermen dillerine dayalı olduğu için, bu gibi terimlerin tam karşılıklarını Türkçe’de bulmak malesef oldukça zor. Örnek olarak gerilim kelimesi Türkçe’de hem mekanik gerilim, hem yüzey gerilimi, hem de elektrik potansiyeli anlamlarında kullanılabilirken, İngilizce’de bu terimlerin her biri için farklı bir kelime bulabiliyoruz (stress, tension ve voltage). Bu konu başlığı altında gerilim kelimesini yalnızca mekanik gerilimi ifade etmek için kullanacağımızı baştan belirtelim.

Bir cisim üzerine etki eden kuvvetler, üç farklı türde gerilim ortaya çıkartabiliyor:

Çekme gerilimi:

Çekme gerilimi (İngilizce: tensile stress), malzemeyi kuvvet yönünde uzatacak şekilde, yüzey alanına dik yönde kuvvet uygulanmasıyla ortaya çıkıyor. Uygulanan kuvvet miktarı sabit kalsa da, kuvvetin uygulandığı alanın büyüklüğüne bağlı olarak gerilim değeri değişim gösterebiliyor. Dolayısıyla, malzemenin kesit alanındaki çok ufak değişimler bile malzeme boyunca gerilimin farklılık göstermesine yol açabiliyor. Her ne kadar sünek malzemeler bu gerilim dalgalanmalarını bir dereceye kadar tolere edebiliyor olsalar da, bu dalgalanmalar kırılgan malzemelerin beklenenden daha erken kırılmasına yol açabiliyor.

Baskı gerilimi:

Baskı gerilimi (İngilizce: compressive stress) yaratmak için yine yüzey alanına dik yönde, fakat malzemeyi sıkıştıracak şekilde kuvvet uygulanması gerekiyor. Çekme ve baskı gerilimleri uygulandıkları yüzeylere dik etki ettikleri için, bu iki gerilim türünü  normal gerilimler olarak adlandırılıyoruz.

Kesme gerilimi:

Kesme gerilimi ise (İngilizce: shear stress), malzemenin iki zıt yüzeyinin birbirine paralel ve ters yönde kaymalarını sağlayacak şekilde kuvvet uygulanmasıyla ortaya çıkıyor.

Gerinim

Gerinim, yük altındaki bir malzemenin, yük uygulanmadan önceki duruma kıyasla şeklini ne oranda değiştirdiğini ifade ediyor (İngilizce: strain). Burada kullanılan anlamıyla şekil değişimi biçimsel bir değişimi değil, daha ziyade şekildeki niceliksel bir değişimi ifade ediyor. Dolayısıyla gerinim, bir malzemedeki şekil değişimini matematiksel olarak ifade edebilmemizi sağlıyor. Bu kavramı daha rahat anlayabilmek için ufak noktacıklardan oluşmuş bir cisim kafamızda canlandıralım. Şekil değişimi sonrasında cisimde oluşan gerinimi, bu noktacıkların kuvvet uygulanmadan önceki konumlarına kıyasla ne kadar yer değiştirdiklerinin matematiksel ifadesi olarak düşünebiliriz.

Gerinim, uygulanan kuvvet ile aynı yönde oluşuyorsa, bu gerinimi, aynı gerilim gibi, normal gerinim olarak değerlendiriyoruz. Normal gerinimden farklı olarak,eğer  malzeme üzerine bir kesme kuvveti etki ediyorsa, aşağıdaki resimde gösterildiği gibi malzemede açısal bir şekil değişimi, ya da bir açısal çarpılma (İngilizce: angular distortion) oluştuğunu gözlemliyoruz.

Bu durumda oluşan şekil değişimine kesme gerinimi (İngilizce: shear strain) adını veriyor ve düzlemler arasındaki yer değişimini (resimde a) düzlemler arası mesafeye (resimde h) bölerek ifade ediyoruz.

Yukarıdaki resme dikkat ederseniz, a/h ile gösterilen gerinimi, malzemede oluşan şekil değişim açısının tanjantı ile de hesaplayabiliyoruz. Bu nedenle kesme gerinimini çoğu zaman, yukarıdaki eşitlikte olduğu gibi, malzemede oluşan çarpılmanın açısıyla ifade ediyoruz.


Devamı: