Fotoelastisitas

Fotoelastisitas adalah suatu metode eksperimental untuk mendeteksi tingkat distribusi dalam suatu material. Metode digunakan dalam kasus dimana metode matematika sangat rumit untuk dicari atau didefinisikan. Fotoelastisitas tidak seperti metode analisis. Metode ini memberikan gambar yang akurat dari tingkat distribusi, bahkan meskipun adanya diskontinuitas dari bahan tersebut. Metode ini merupakan metode yag tepat untuk mencari titik kritis dalam suatu material, dan digunakan untuk menentukan konsentrasi tegangan pada geometri yang teratur.

Sejarah

Fenomena fotoelastis pertama kali dijelaskan oleh seorang fisikawan asal Skotlandia, David Brewster.^[1]^[2] Fotoelastisitas dikembangkan pada awal abad kedua puluh, karya EGCoker dan LNG Filon dari Universitas London. Buku mereka yang berjudul Treatise on Photoelasticity yang dipublikasikan tahun 1930 oleh Percetakan Cambridge menjadi acuan dasar tentang teori ini. Antara tahun 1930 dan 1940 muncul buku lain dalam bahasa Rusia, bahasa Jerman dan bahasa Prancis yang membahas pada fenomena ini.

Pada saat yang sama banyak pengembangan dari teori ini terjadi di lapangan. Perbaikan besar yang dicapai dalam teknik dan peralatan disederhanakan. Dengan peningkatan teknologi lingkup fotoelastisitas diperpanjang ke bagian tiga-dimensi. Banyak masalah praktis diselesaikan menggunakan fotoelastisitas, dan segera menjadi populer. Berkaitan dengan hal itu muncul sejumlah laboratorium fotoelastis yang didirikan di institusi pendidikan dan industri.

Dengan munculnya polariskop digital menggunakan diode pemancar cahaya, pemantauan terus menerus dari struktur bawah beban menjadi mungkin. Hal ini menyebabkan perkembangan fotoelastisitas dinamis. Fotoelastisitas dinamis telah memberikan kontribusi besar dalam mempelajari fenomena kompleks seperti fraktur bahan.

Prinsip Dasar

Gambar garis ketegangan di busur derajat plastik dilihat di bawah sinar lintas-terpolarisasi.

Metode ini didasarkan pada birefringence, seperti yang diperagakan oleh bahan transparan tertentu. Birefringence adalah fenomena di mana sinar cahaya melewati bahan birefringent yang mengalami dua buah indeks bias. birefringence (atau pembiasan ganda) diamati di banyak optik kristal . Setelah penerapan tekanan, bahan fotoelastik menunjukkan birefringence, dan besarnya indeks bias pada setiap titik dalam materi secara langsung berkaitan dengan keadaan tekanan pada saat itu. Informasi seperti tegangan geser maksimum dan orientasinya tersedia dengan menganalisis birefringence dengan alat yang disebut Polariskop.

Ketika sinar cahaya melewati bahan fotoelastis, komponen gelombang elektromagnetik yang diselesaikan sepanjang dua dasar arah stres dan setiap komponen mengalami indeks bias yang berbeda karena birefringence. Perbedaan indeks bias menyebabkan fase relatif retardasi antara dua komponen. Dengan asumsi spesimen tipis yang terbuat dari isotropik bahan, di mana dua dimensi fotoelastisitas berlaku, besarnya magnitude dicari dengan menggunakan hukum stres-optik :^[3]

\Delta ={\frac {2\pi t}{\lambda }}C(\sigma _{1}-\sigma _{2})

dimana Delta; adalah keterbelakangan yang diinduksi( induced retardation), C adalah koefisien stres-optik, t adalah ketebalan spesimen, λ adalah panjang gelombang vakum, dan σ₁ and σ₂ adalah tegangan utama pertama dan kedua, masing-masing. Retardasi perubahan polarisasi cahaya yang ditransmisikan. Polariskop ini menggabungkan negara polarisasi yang berbeda dari gelombang cahaya sebelum dan setelah melewati spesimen. Karena optik gangguan dari dua gelombang, pola pinggiran terungkap. Jumlah pinggiran rangka N dilambangkan sebagai

N={\frac {\Delta }{2\pi }}

yang tergantung pada keterbelakangan relatif. Dengan mempelajari pola pinggiran seseorang dapat menentukan keadaan stres pada berbagai titik dalam materi.

Untuk bahan yang tidak menunjukkan perilaku fotoelastis, masih mungkin untuk mempelajari distribusi tegangan. Langkah pertama adalah untuk membangun sebuah model, menggunakan bahan fotoelastis, yang memiliki geometri yang mirip dengan struktur nyata dalam penyelidikan. Loading kemudian diterapkan dengan cara yang sama untuk memastikan bahwa distribusi tegangan dalam model mirip dengan stres dalam struktur nyata.

Isoklinik dan Isokhromatis

Isoklinik adalah lokus dari titik-titik di sepanjang spesimen yang tekanan utama adalah dalam arah yang sama.

Isokhromatis adalah lokus dari titik sepanjang yang perbedaan tegangan utama pertama dan kedua tetap sama. Jadi mereka adalah garis yang bergabung poin dengan sama besarnya maksimum tegangan geser.^[4]

Photoelastisitas Dua Dimensi

Photoelasticity

Fotoelastisitas dapat diterapkan baik untuk polas tres tiga dimensi dan dua dimensi . Namun penerapan photoelastisitas ke pola stres tiga-dimensi lebih sulit dibandingkan dengan keadaan sistem dua dimensi atau 'Plane Stress'. Jadi bagian ini berkaitan dengan penerapan fotoelastisitas dalam penyelidikan dari sistem 'Plane Stress'. Kondisi ini dicapai ketika ketebalan prototipe jauh lebih kecil dibandingkan dengan dimensi di 'Plane'. Jadi satu hanya berkaitan dengan tekanan yang sejajar dengan bidang model, sebagai komponen stres lainnya adalah nol. Pengaturan eksperimental bervariasi dari percobaan untuk bereksperimen. Dua jenis dasar pengaturan yang digunakan adalah pesawat polariskop dan polariskop lingkaran.

Prinsip kerja dari fotoelastisitas dua dimensi memungkinkan pengukuran keterbelakangan, yang dapat dikonversi ke perbedaan antara tegangan utama pertama dan kedua . Untuk lebih mendapatkan nilai dari masing-masing komponen stres, teknik yang disebut stres-pemisahan.^[5] Several theoretical and experimental methods are utilized to provide additional information to solve individual stress components.

Plane polariskop

Pengatutrannya terdiri dari dua polarizer linear dan sumber cahaya. Sumber cahaya dapat dengan baik memancarkan cahaya monokromatik atau cahaya putih tergantung pada percobaan. Pertama cahaya dilewatkan melalui polarizer pertama yang mengubah cahaya menjadi pesawat ringan terpolarisasi. Aparat diatur sedemikian rupa bahwa pesawat ringan ini terpolarisasi kemudian melewati spesimen . Cahaya ini kemudian mengikuti, pada setiap titik dari spesimen, arah tegangan utama pada saat itu. Lampu tersebut kemudian dibuat untuk melewati analisis dan kami akhirnya mendapatkan pola pinggiran.

Pola pinggiran dalam pengaturan pesawat polariskop terdiri dari kedua isokhromatis dan isoklinik. Isoklinik berubah dengan orientasi polariskop sementara tidak ada perubahan dalam isokhromatis.

Transmission Circular Polariscope
Peralatan yang sam berfungsi sebagai plane polariscope ketika sepermempat gelombang dari plat diambil pada salah satu sisi atau dirotasi sehingga sudut parallel polarisasi dapat terlihat

Sirkuler polariskop

Dalam pengaturan polariskop dua kuartal - Wave Plate ditambahkan ke dalam pengaturan eksperimental pesawat polariskop. Pelat kuartal-gelombang pertama ditempatkan di antara polarizer dan spesimen dan lempeng kuartal-gelombang kedua ditempatkan antara spesimen dan analisis. Pengaruh penambahan pelat seperempat-gelombang setelah polarizer sumber-sisi adalah bahwa kita mendapatkan cahaya terpolarisasi sirkuler melewati sampel. Pelat kuartal gelombang sisi analyzer mengubah keadaan polarisasi melingkar kembali ke linier sebelum cahaya melewati analisis.

Keuntungan dasar dari polariskop melingkar di atas pesawat polariskop adalah bahwa dalam pengaturan polariskop melingkar kita hanya mendapatkan isokhromatis dan tidak isoklinik. Ini menghilangkan masalah utnuk membedakan antara mana bagian isoklinik dan isokhromatis.

Aplikasi

Fotoelastisitas telah digunakan untuk berbagai stres analisis dan bahkan untuk penggunaan rutin dalam desain, khususnya sebelum munculnya metode numerik, seperti untuk elemen terbatas hingga elemen bergerak.

Lihat pula

Referensi

^ D. Brewster, Experiments on the depolarization of light as exhibited by various mineral, animal and vegetable bodies with a reference of the phenomena to the general principle of polarization, Phil. Tras. 1815, pp.29-53.
^ D. Brewster, On the communication of the structure of doubly-refracting crystals to glass, murite of soda, flour spar, and other substances by mechanical compression and dilation, Phil. Tras. 1816, pp.156-178.
^ Dally, J.W. and Riley, W.F., Experimental Stress Analysis, 3rd edition, McGraw-Hill Inc., 1991
^ Ramesh, K., Digital Photoelasticity, Springer, 2000
^ Fernandez M.S-B., Calderon, J.M.A., Diez, P.M.B and Segura, I.I.C, Stress-separation techniques in photoelasticity: A review. The Journal of Strain Analysis for Engineering Design, 2010, 45:1 [doi:10.1243/03093247JSA583]

Pranala luar

University of Cambridge Page on Photoelasticity. Diarsipkan 2014-02-19 di Wayback Machine.
Photograph of photoelastic stress pattern using plane-polarized white light. Diarsipkan 2008-01-20 di Wayback Machine.
Laboratory for Physical Modeling of Structures and Photoelasticity (University of Trento, Italy) Diarsipkan 2020-03-09 di Wayback Machine.

[1] D. Brewster, Experiments on the depolarization of light as exhibited by various mineral, animal and vegetable bodies with a reference of the phenomena to the general principle of polarization, Phil. Tras. 1815, pp.29-53.

[2] D. Brewster, On the communication of the structure of doubly-refracting crystals to glass, murite of soda, flour spar, and other substances by mechanical compression and dilation, Phil. Tras. 1816, pp.156-178.

[3] Dally, J.W. and Riley, W.F., Experimental Stress Analysis, 3rd edition, McGraw-Hill Inc., 1991

[4] Ramesh, K., Digital Photoelasticity, Springer, 2000

[5] Fernandez M.S-B., Calderon, J.M.A., Diez, P.M.B and Segura, I.I.C, Stress-separation techniques in photoelasticity: A review. The Journal of Strain Analysis for Engineering Design, 2010, 45:1 [doi:10.1243/03093247JSA583]

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]