القوة النوعية والصلابة النوعية: المنطق الهندسي وراء "استبدال البلاستيك بالفولاذ"

مقدمة: إعادة التفكير في أداء المواد

في المناقشات حول «استبدال الفولاذ بالبلاستيك»، غالبًا ما يتم تجاهل مفهوم بالغ الأهمية: لا ينبغي الحكم على أداء المواد بالقيم المطلقة وحدها

السؤال الحقيقي ليس "أي مادة أقوى؟"، بل: في ظل نفس قيود الوزن، أي مادة توفر قدرة تحمل أعلى وصلابة أكبر؟

هذا هو المكان بالضبط القوة النوعية و الصلابة النوعية تصبح ضرورية

1 لماذا لا يمكن مقارنة القوة بشكل مباشر

القوة المطلقة مقابل التصميم خفيف الوزن

يصل الفولاذ عادةً إلى 400-1000 ميجا باسكال ، بينما تكون المواد البلاستيكية الهندسية عادةً 100-200 ميجا باسكال للوهلة الأولى، يبدو أنهما غير قابلين للمقارنة.

ومع ذلك، عندما يتم تطبيع القوة بالكثافة، تتغير المقارنة تمامًا

• كثافة البلاستيك: ~1.0–1.5 جم/سم³
• كثافة الفولاذ: ~7.8 جم/سم³

لماذا تغير الكثافة كل شيء

• عزم القصور الذاتي الأكبر للمقطع ← صلابة أعلى
• مساحات تحمل أكبر للأحمال ← قوة فعالة أعلى

02 القوة النوعية والصلابة النوعية

القوة النوعية (σ / ρ)

أقصى إجهاد يمكن أن يتحمله الجسم لكل وحدة وزن. وهو يحدد قدرة تحمل الأحمال تحت نفس الكتلة.

الصلابة النوعية (E / ρ)

الصلابة التي توفرها المادة لكل وحدة وزن. وهي تتحكم في التشوه تحت الحمل، وخاصة في الأقواس والهياكل والإطارات.

04 مثال بسيط وبديهي

دعامة هيكلية وزنها 1 كجم

• الفولاذ: الحجم ≈ 0.13 لتر
• GF-PA6: الحجم ≈ 0.74 لتر (نفس الوزن)

تقريبًا تمدد حجمي بمقدار 6 أضعاف يسمح بالأضلاع والتعزيزات وعزوم القصور الذاتي الأعلى

النتيجة: صلابة وقوة مماثلة مع تخفيض في الوزن بنسبة 60-70% .

الخاتمة

إن جوهر "استبدال البلاستيك بالفولاذ" ليس التقليد، بل تحقيق توازن أفضل بين الأداء المحدد في ظل تصميم مقيد بالوزن.