Materiaalmoeheid vergeleken met duurloop vermoeiing
Wat de meeste van onze relaties wel weten is dat sterkteberekening – en dan met name het aspect materiaalmoeheid – één van onze specialiteiten is. Daarbij gaat het om uithoudingsvermogen of de levensduur van producten. Maar wat de meest nog niet wisten is dat onze constructeur zichzelf als ultra/marathon-loper ook regelmatig blootstelt aan materiaalmoeheid. Bij het Ultra-lopen gaat het om afstanden verder dan de marathon, dus langer dan 42,2 km. Daarbij komt het ook aan op uithoudingsvermogen over zeer lange afstanden. Maar je wilt wel, na een hele dag lopen of langer, niet in twee stukken de finish bereiken. Je moet dus voorkomen dat je niet voortijd al moet uitstappen doordat je spieren en pezen zijn bezweken.
De parallel tussen vermoeidheid na een ultra-marathon en materiaalmoeheid in een product.
Endurance vermoeiing op de 60km ultra marathon van Texel
Er lijkt een parallel te trekken tussen bezwijken van producten door materiaalmoeheid en het bezwijken van het menselijk lichaam door eenzelfde soort vermoeidheid. Tijdens het hardlopen over heel lange afstanden, raken o.a. spieren en pezen, ondanks de gematigde snelheden, langzaamaan steeds meer beschadigd. Dit gaat door tot het moment dat spieren en pezen zover zijn toegetakeld dat lopen niet meer gaat of erg pijnlijk wordt. Het bijzondere is, dat het loopgestel van een razendsnelle sprinter veel hogere belastingen krijgt te verduren dan de lange afstandsloper, die een lichtere impact gedurende een heel lange tijd te verduren krijgt. De impact op het loopgestel van een uit de startblokken weg knallende sprinter kan factoren hoger liggen dan de impact op het loopgestel van de langeafstandloper. En toch bezwijken ook de spieren en pezen van de lange afstandsloper op enig moment als hij maar door zou lopen.
De ontdekkers van materiaalmoeheid
Schotse ingenieur William John Macquorn Rankine (1820 – 1872) ontdekker van materiaalmoeheid
Duitse ingenieur August Wöhler (1819–1914) ontwikkelaar van de Wöhler kromme
Het fenomeen materiaalmoeheid werd het eerst ontdekt in Engeland, bij de eerste treinen. Het bleek namelijk dat treinassen veel sneller bezweken dan op grond van berekeningen werd verwacht. Het was William John Macquorn Rankine in het artikel “An Experimental Inquiry into the Advantage of Cylindrical Wheels on Railways” uit 1842, die dit materiaalmoeheid noemde.
August Wöhler ontdekte dat de levensduur (aantal belastingwisselingen) afhankelijk is van de belastinghoogte of liever gezegd, de hoogte van de wisselende materiaalspanning. En hij ontdekte dat er voor een aantal materialen, waaronder constructiestaal, een zekere vermoeiingsgrens bestaat. Dat houdt in dat er een maximum spanning is aan te wijzen waar onder het materiaal of het onderdeel nooit zal bezwijken aan materiaalmoeheid. En dus een oneindige levensduur heeft, ook wel infinite life genoemd.
Eindige en oneindige levensduur
S-N curve / Wöhler kromme, klik op de afbeelding voor meer info hierover
De hiernaast getoonde grafiek laat zien bij welke maximum optredende spanning (Se) een gebruikelijk constructiestaal type nooit zal bezwijken door materiaalmoeheid. Dit heet infinite life ∞ Ook is te zien dat hoe hoger de spanning wordt boven Se, dest te korter wordt de levensduur. Wanneer de spanning gelijk is aan Sut, dan kan het materiaal al bezwijken bij de eerste belasting. Tot 1000 wisselingen spreekt men van low cycle load. Tussen 1000 en 106 spreekt men van high cycle load. En alles daarna wordt beschouwd als oneindige levensduur.
Tegenwoordig zijn er tal van dit soort zogeheten S-N curven te vinden voor een scala van materialen. Deze zijn allen gebaseerd op de Wöhler kromme. Natuurlijk zijn al dat soort grafieken en tabellen in de loop der decennia verder uitgediept en uitgebreid. Maar in de basis zijn het Wöhler krommen
Life-cycles / frequentie
Dit fenomeen zien we min of meer terug in de loopsport. Zowel met betrekking tot de inspanning zelf als met de frequentie van inspanning en herstel. Een sprinter kan kortdurend – bijv. 200m – extreem hoge belastingimpact incasseren, zonder te bezwijken. Terwijl een ultra-loper veel langer (tot honderden kilometers) kan volhouden als de belasting maar onder een zekere grens blijft. Hier zien we dus eenzelfde soort verschijnsel. Maar we zien dit verschijnsel ook in de herhalingsfrequentie terug. Als de belasting herhalingen te kort op elkaar volgen zonder voldoende herstel, dan zal de sporter op gegeven moment ook bezwijken aan overtraining of aan een blessure. Dat geldt voor zowel de sprinter als de duurloper. Immers, bij een te hoge frequentie van de cyclus “inspanning-herstel” hebben we meer belastingwisselingen. Ook hier geldt dus een vermoeiingsgrens. Zolang de sporter daar onder blijft, zal hij/zij niet zomaar bezwijken.
Wereldkampioene Dafne Schippers ondervindt extreem hoge belasting op de 22,05s durende 200m sprint. Endurance vermoeiing speelt hier geen rol. Bron: https://www.15min.lt/sportas
Lage belasting tijdens 7 uur durende 60km ultra-marathon. Endurance vermoeiing speelt hier een grote rol
Materiaalmoeheid in de toekomst
Na ruim 7 uur en 60km in de benen, komt de finish in t zicht. Er is sprake van materiaalmoeheid maar niet bezweken
Natuurlijk spelen er nog heel veel meer aspecten en factoren een rol in deze materie. Dat geldt voor zowel voor vermoeiing van het loopgestel van een duurloper als van materiaalmoeheid in bewegende onderdelen van een machine. Het fantastische van biomechanische onderdelen, is dat spieren, pezen, botten, maar ook het hart, vaat en zenuwstelsel, zichzelf herstellen en zelfs versterken na een overload en een aansluitende uitgebalanceerde rust/herstel periode. Zelf schade herstellend is iets waar we in de technische mechanica misschien nog iets op zouden moeten vinden. En dan bedoelen we niet zo iets als geheugenmetaal, maar echt schadeherstel op kristallijn of atomair niveau. Dus dat haarscheurtjes en vermoeiingsscheurtjes bij materiaalmoeheid zich vanzelf herstellen. Technische wetenschappers kijken overigens wel steeds vaker naar de manier waarop organische materialen zichzelf herstellen. Niet dat wij nu de illusie hebben dat metaalmoeheid ooit tot het verleden zal behoren. Maar wel dat we in de toekomst, materialen zullen kunnen ontwikkelen die nog meer bestand zijn tegen materiaalmoeheid. En dat zou goed zijn. Immers, materiaalmoeheid is een van de meest voorkomende gevaarlijkste bezwijkmechnisme met vaak grote en ernstige gevolgen. Materiaalmoeheid doet zich overigens niet alleen voor bij metalen maar ook bij bepaalde kunststoffen en composieten.
Taaie materialen minder gevoelig voor materiaalmoeheid
stress fractuur. Bron: wikipedia
Over zichzelf herstelend materiaal gesproken, taaie materialen kennen wel degelijk een zekere vorm van zelf-herstel. Het zogeheten reformeren van kristalstructuren. Daarbij gaat het om het steeds opnieuw herstellen van atoombindingen nadat deze zijn verbroken door plastische vervorming. Hoewel dit zo z’n grenzen kent, zien we dit ook min of meer weer terug in het menselijk lichaam. De spieren, pezen en botten van jonge mensen zijn zoals bekend soepeler dan die van oudere mensen. De eerste jongere groep is door deze soepelheid minder gevoelig voor het oplopen van fracturen maar herstellen ook sneller. Meer zelf-herstel is te lezen in ons artikel Elasticiteit en plasticiteit