Wat wordt in de mechanica bedoelt met buiging en flexuur?

Elk materiaal heeft eigenschappen. Deze eigenschappen maken een materiaal geschikt of juist ongeschikt voor een bepaalde toepassing. De flexuur of buiging is ook een eigenschap van een voorwerp of materiaal. Met buiging doelt men op de mate waarmee een materiaal vervormd of vervormbaar is in de richting die loodrecht staat op de lange as.

De vervorming van een materiaal of voorwerp is een gevolg van een kracht die wordt uitgeoefend. Buiging is een samengestelde vorm van belasting omdat aan de ene kant van het voorwerp trek optreed en aan de andere kant druk. Dit is afhankelijk van de richting waarin het voorwerp buigt. De ene kant van het voorwerp wordt iets langer doordat deze oprekt en de andere kant heeft te maken met druk omdat deze in elkaar wordt geperst.

Doorbuiging of deflectie
De mate waarin doorbuiging van een materiaal plaatsvindt wordt ook wel de mate van deflectie genoemd. Omdat materialen een bepaalde mate van elasticiteit hebben is doorbuiging niet per definitie schadelijk. Een balk die gemaakt is van staal kan in een beperkte mate doorbuigen omdat deze balk over elasticiteit beschikt. De elasticiteitsgrens moet echter niet worden overschreden omdat er dan plastische vervorming optreed. Dan is het materiaal zover doorgebogen dat het niet meer in de oorspronkelijke vorm terugkeert.

Metaalmoeheid
Door regelmatig op metaal een bepaalde druk of kracht uit te oefenen kan een metaal meerdere keren buigen. Hierdoor kan metaalmoeheid optreden. Door het voortdurend ineendrukken en oprekken van het metaal ontstaan kleine scheurtjes die er uiteindelijk voor kunnen zorgen dat de mechanische belastbaarheid van het metaal zo wordt verlaagd dat het materiaal knapt of uiteen getrokken wordt.

Wat is wringspanning of torsiespanning?

Torsiespanning wordt ook wel wringspanning genoemd. Dit is een mechanische spanning die in een voorwerp kan ontstaand doordat er op het voorwerp een wringend moment wordt uitgeoefend. Een torsiespanning kan bijvoorbeeld ontstaan in een aandrijfas. Een aandrijfas kan torderend worden belast doordat de aandrijfmotor er voor zorgt dat de as zal moeten draaien en de wielen weerstand bieden tegen deze draaibeweging. Ook als het ene wiel minder weerstand biedt tegen verdraaiing dan het andere wiel ontstaat er torsiespanning.

Eenvoudig voorbeeld van torsiespanning
Torsiespanning kan eenvoudig worden geïllustreerd aan de hand van het verdraaien van een handdoek om daar vocht uit te wringen. Hierbij pakt men de vochtige handdoek met de ene hand bij het ene uiteinde beet en met de andere hand aan het andere uiteinde. Vervolgens draait men beide handen in tegengestelde richting waardoor de handdoek in het midden stijf in elkaar draait. Hierdoor neemt de torsiespanning toe en wordt het vocht er uit geperst. Als men de handdoek zeer stijf uitwringt zal men bij het loslaten merken dat de handdoek weer langzaam terugdraait in de oorspronkelijke vorm. Dit komt omdat een handdoek redelijk elastisch is.

Elasticiteit
Niet alle materialen zijn zo elastisch als een handdoek. Materialen zoals staal kunnen wel vervormen maar zullen op een gegeven moment hun elastische grens bereiken. Na deze grens zal het staal plastisch gaan vervormen en dus niet meer terugkeren in de basisvorm. Het materiaal is dan blijvend vervormd en dat heeft gevolgen voor de mechanische eigenschappen van het materiaal. Materiaal met een hoge torsiestijfheid is echter goed bestand tegen torsiespanning en kan daardoor goed worden gebruikt voor aandrijfassen en andere onderdelen waarop een grote wringspanning op wordt uitgeoefend.

Wat is torsiestijfheid?

Torsiestijfheid is een term die onder andere wordt gebruikt bij personenauto’s. In dit verband doelt men op de torsiestijfheid van een auto wanneer er een verschil in belasting ontstaat tussen de verschillende wielen. Een verschil in de belasting op de verschillende wielen van een automobiel wordt voor een deel opgevangen door de vering. Daarnaast kan ook de carrosserie gaan torderen. Dit torderen wordt ook wel wringspanning genoemd en is een mechanische belasting met een wringend moment. Men spreekt van een torsiestijve carrosserie als de carrosserie onder wringspanning nauwelijks zal torderen. De torsiestijfheid van een automobiel is afhankelijk van het ontwerp en de materialen die zijn toegepast. Gesloten auto’s hebben over het algemeen een grotere torsiestijfheid dan ‘open auto’s’ oftewel de cabrio’s.

Torsiestijfheid algemeen
Buiten de autotechniek wordt de term torsiestijfheid ook gebruikt als aanduiding van de weerstand van een as tegen hoekverdraaiing. Deze hoekverdraaiing kan ontstaan als men op een as een koppel of draaimoment aanbrengt. De mate van verdraaiing is afhankelijk van het materiaal en de belasting op de as. De verdraaiing wordt opgegeven in [Nm/rad]. Materialen hebben een elasticiteitsgrens of rekgrens. Dit houdt in dat materialen onder invloed van een kracht in een bepaalde mate kunnen vervormen en dan weer in oude vorm terug kunnen keren. Op een gegeven moment is de kracht die wordt uitgeoefend zo groot dat er plastische vervorming zal optreden. Dit gebeurd als de rekgrens wordt overschreden. Het materiaal is dan ernstig aangetast en de mechanische belastbaarheid van het materiaal is dan meestal  aanzienlijk vermindert. Materiaal met een hoge torsiestijfheid biedt een grote weerstand tegen verdraaiing. Daarom kunnen die materialen het beste worden gebruikt voor assen waarop een hoog wringend moment wordt aangebracht.

Wat is insnoering en wanneer ontstaat insnoering?

Insnoering is een situatie die kan ontstaan bij het vervormen van elastisch materiaal. Elastisch materiaal kan plastisch deformeren. Insnoering ontstaat wanneer elastisch materiaal zover wordt opgerekt dat het bijna breekt. In feite is insnoering het moment dat vlak voor de breuk ontstaat. Insnoering kan daardoor alleen ontstaan bij materiaal dat opgerekt kan worden. Bros materiaal kan niet insnoeren.

Hoe ontstaat insnoering?
Een taai materiaal kan men oprekken door een bepaalde kracht op het materiaal uit te oefenen. Hierdoor wordt het materiaal vervormt. Het materiaal zal eerst elastisch vervormen, dit houdt in dat het materiaal oprekt. Als er meer kracht op het materiaal wordt uitgeoefend dan zal het materiaal plastisch vervormen. Plastische vervorming ontstaat wanneer er meer kracht op het materiaal wordt uitgeoefend dan de vastgestelde treksterkte. Een plastische vervorming houdt in dat het materiaal blijvend van vorm is verandert en na het wegnemen van de kracht niet meer in de oorspronkelijke vorm zal terugkeren. Nadat de plastische vorming is ingetreden zal het materiaal gaan vloeien als de kracht op het materiaal aanwezig blijft. Vlak daarvoor vindt de insnoering plaats.

Insnoering ontstaat wanneer de vloeigrens zijn intrede doet.  De oppervlakte van het materiaal dat loodrecht ten opzichte van de kracht staat wordt kleiner. Vanaf dat moment wordt het materiaal dunner en is er minder kracht nodig om het materiaal nog verder op te rekken. Als de vloeigrens wordt overschreden zal het materiaal langer en dunner worden. Dit wordt ook wel vloeien genoemd. Als het vloeien niet wordt gestopt door het wegenemen van de belasting of kracht zal het materiaal ernstig verzwakken en uiteindelijk breken.

Insnoering en constructie
Een constructeur ontwerpt machines en constructies in de werktuigbouwkunde en metaaltechniek. Werknemers in deze functies hebben over het algemeen veel verstand van de eigenschappen van materialen. Deze informatie is van groot belang voor het ontwerpen van constructies, casco’s, frames en machines. Het materiaal waaruit deze objecten bestaan mag niet boven de vloeigrens belast worden omdat de gevolgen dan zeer ernstig kunnen zijn. Hoe hoger de vloeigrens van een metaal hoe taaier het materiaal is.

Constructeurs en engineers hebben veel kennis van de eigenschappen van metalen. Mochten ze echter meer informatie nodig hebben dan kunnen ze over het algemeen contact zoeken met een expert. Dit is meestal een metallurg. De metallurgie is gericht op het onderzoeken en beschrijven van de eigenschappen van metalen. Een metallurg weet daardoor de eigenschappen van metalen goed te benoemen zodat de constructeur hiermee rekening kan houden in zijn of haar ontwerpen.