Poissonzahl
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Die Poissonzahl μ (auch Querkontraktionszahl, Querdehnungszahl oder Querdehnzahl genannt) ist eine Größe in der Mechanik bzw. Festigkeitslehre. Sie dient der Berechnung der Querkontraktion und ist nach Siméon Denis Poisson benannt.
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[Bearbeiten] Definition
Die Poissonzahl ist definiert als Verhältnis aus relativer Dickenänderung Δd / d zur relativen Längenänderung Δl / l bei Einwirkung einer äußeren Kraft oder Spannung.
Es gilt also:
.
Auch das Zeichen ν statt μ wird oft verwendet. Die Poissonzahl ist eine dimensionslose Größe. Die Poissonzahl ist eine Materialkonstante, d. h. sie ist abhängig vom Material des verwendeten Werkstücks. Die elastischen Konstanten hängen über die Poissonzahl zusammen. So gilt für linear-elastisches, isotropes Material folgender Zusammenhang zwischen dem Schubmodul G und dem Elastizitätsmodul E:
.
Die relative Volumenänderung ΔV/V, mit der ein Körper auf ein-achsige Dehnung (Zugversuch) reagiert, berechnet sich mit Hilfe der Poissonzahl unter Vernachlässigung quadratischer Terme aus
.
[Bearbeiten] Gültigkeitsbereich
Die Poissonzahl liegt üblicherweise zwischen 0 und 0,5. Typische, häufige Werte der Poissonzahl liegen zwischen 0,1 und 0,4.
Bei einer Poissonzahl μ = 0,5 bleibt das Volumen eines elastischen Körpers unter Belastung konstant. Die Inkompressibilität bleibt nur für infenitessimale Verformungen gewahrt. Außerdem ergeben sich in den Cauchy'schen Konstitutivgleichungen Polstellen. Für die Berechnung von nahezu oder voll inkompressiblen Materialien (z.B. Gummimaterialien, entropieleastische Materialien, hyperelastische Materielien) sollten Green'sche Materialmodelle verwendet werden. [1].
Bei einer Poissonzahl kleiner als 0,5 nimmt bei Zugbelastung das Volumen zu, bei Druckbelastung ab.
Bei Werten größer als 0,5 würde bei Zugbelastung eine Abnahme des Volumens auftreten. Dies kann es aus energetischen Gründen nicht geben.
Vereinzelt sind auch Materialien mit negativer Poissonzahl bekannt.[2] Negative Werte ergeben eine Querdehnung anstatt eine Querkontraktion bei Längendehnung. Solche Materialien werden als auxetisch bezeichnet. Beispiele dafür sind gewisse Polymerschäume, Kristalle oder Carbonfasern.
[Bearbeiten] Der Kehrwert der Poissonzahl
In der Geotechnik und Felsmechanik wird auch der Kehrwert der Poissonzahl als „Poissonzahl“ bezeichnet. Oft wird dann das Zeichen m verwendet. Eine einheitliche Bezeichnung hat sich bisher nicht durchgesetzt. Zur Vereinheitlichung wäre folgende Regelung empfehlenswert:
- Querdehnzahl: Zeichen: ν oder μ; mit Zahlenwerten von 0 bis < 0,5
- Poissonzahl: Zeichen m; mit Zahlenwerten > 2
wobei gilt:
[Bearbeiten] Zahlenwerte für μ
Querdehnzahl μ für einige Materialien
| Material | Querdehnzahl μ |
|---|---|
| Aluminium | 0,33 |
| Beton | 0,20 |
| Blei | 0,45 |
| Eisen | 0,21 - 0,26 |
| Glas | 0,24 |
| Gummi | 0.50 |
| Kupfer | 0.33 |
| Kork | etwa 0.00 |
| Lehm | 0,30 - 0,45 |
| Magnesium | 0,35 |
| Messing | 0,37 |
| Sand | 0,20 - 0,45 |
| Stahl | 0,27 - 0,30 |
| Schaumstoff | 0,10 - 0,40 |
| Titanium | 0,34 |
| SiC | 0,17 |
| Si3N4 | 0,25 |
Für metallische Werkstoffe wird häufig ein Wert von μ = 0,3 oder μ = 1 / 3 angenommen, falls keine genaueren Werte bekannt sind. Ein Fehler in der Poissonzahl wirkt sich in der Berechnung des Bauteilverhaltens unter mechanischer Beanspruchung deutlich weniger aus als ein Fehler im E-Modul. Deshalb muss der E-Modul für das verwendete Material genau bestimmt werden (z. B. im Zugversuch), während für die Querkontraktion häufig ein ungefährer Wert genügt.
[Bearbeiten] Quellen
- ↑ R. W. Ogden: Non-Linear Elastic Deformations. Dover Publications, Inc., Mineola, New York (1984).
- ↑ Klaas Kölln: Morphologie und mechanische Eigenschaften von Zellulosefasern, Dissertation Uni Kiel, S. 22
