پدیده هیسترزیس در مکانیک مواد

پدیده هیسترزیس در مکانیک مواد:

هیسترزیس شکل حباب:
حباب های در حال انبساط و انقباض بر روی لوله های مویینه (مانند سرسوزن سرنگ) می توانند پدیده هیسترزیس را از خود به نمایش بگذارند.

در این وضعیت، هیسترزیس به مقدار حداکثر فشار مویینگی نسبت به فشار محیط و حجم حباب در حداکثر فشار مویینگی نسبت به حجم مرده درون سیستم بستگی دارد.

«هیسترزیس شکل حباب» (Bubble Shape Hysteresis) نتیجه تراکم پذیری گازها است که باعث رفتار متفاوت حباب ها در حین انقباض و انبساط می شود.

در حین فرآیند انبساط، چندین جهش بزرگ نامتعادل در میزان حجم حباب ها رخ می دهد. در حین فرآیند انقباض، وضعیت حباب ها پایدارتر و تغییرات ناگهانی حجم نیز کوچک تر هستند.

این مسئله عدم تقارن بین انبساط و انقباض را در پی دارد. همانند هیسترزیس زاویه تماس، خواص بین سطحی نقش مهمی را در هیسترزیس شکل حباب بازی می کنند.

در آزمایش های «رئولوژی بین سطحی» (Interfacial Rheology)، وجود هیسترزیس شکل حباب پیامدهای مهمی را در پی خواهد داشت.

به دلیل وجود این پدیده، امکان قرارگیری تمام حباب ها در یک لوله مویینه وجود ندارد. علاوه بر این، تراکم پذیری گاز (به عنوان عامل به وجود آورنده هیسترزیس شکل حباب) باعث ایجاد مشکلات ناخواسته در رابطه فازی بین تغییرات اعمال شده بر روی مساحت سطح مشترک و تنش های بین سطحی مورد انتظار می شود.

با طراحی سیستم های تجربی به منظور نادیده گرفتن هیسترزیس شکل حباب می توان از این مشکلات ناخواسته دوری کرد. این نوع هیسترزیس از نظر کیفی مشابه هیسترزیس جذب است.

هیسترزیس جذب:
پدیده هیسترزیس در فرآیندهای جذب سطحی فیزیکی (فلوتاسیون) نیز رخ می دهد. در این نوع هیسترزیس، میزان ماده جذب شده در هنگام اضافه کردن گاز با میزان ماده جذب شده در هنگام حذف گاز متفاوت است.

تعیین دلایل وجود هیسترزیس جذب، یکی از حوزه های تحقیقاتی فعال به شمار می رود. با این وجود، به نظر می رسد که این پدیده به تفاوت بین مکانیسم های هسته زایی و تبخیر درون مزوحفره های (حفره هایی با مقیاسی بین میکرو و ماکرو) ارتباط دارد.

عواملی نظیر کاویتاسیون و انسداد حفره ها باعث پیچیده تر شدن مکانیسم های مذکور می شوند.

در جذب سطحی فیزیکی که پدیده هیسترزیس در آن یکی از شواهد وجود تخلخل های مزوسکوپی است، تعریف مزوحفره (2 تا 50 نانومتر) با قابل مشاهده بودن (50 نانومتر) و غیر قابل مشاهده بودن (2 نانومتر) تخلخل های مزوسکوپی در ایزوتِرم های جذب سطحی نیتروژن ارتباط دارد.

یک ایزوترم جذب سطحی که هیسترزیس را از خود به نمایش می گذارد، به عنوان ایزوترم نوع V یا نوع IV در نظر گرفته می شود.

طبقه بندی حلقه های هیسترزیس جذب نیز با توجه به نحوه تقارن حلقه صورت می گیرد. یکی از ویژگی های غیر معمول حلقه های هیسترزیس جذب، امکان اسکن حلقه هیسترزیس به وسیله معکوس کردن جهت جذب در هنگام قرارگیری بر روی یکی از نقاط حلقه است.

با توجه به شکل ایزوترم در نقطه مورد بررسی، به اسکن صورت گرفته «تقاطع» (Crossing)، «همگرایی» (Converging) یا «بازگشت» (Returning) گفته می شود.

هیسترزیس پتانسیل ماتریک:
مبنای رسم منحنی نگهداشت، رابطه بین پتانسیل ماتریک و محتوای آب است. تبدیل مقادیر اندازه گیری شده پتانسیل ماتریک (Ψm) و تعیین مقادیر محتوای حجمی آب (θ)، بر اساس یک منحنی کالیبراسیون مخصوص صورت می گیرد.

در طی فرآیند اندازه گیری محتوای آب، وجود پدیده هیسترزیس می تواند باعث به وجود آمدن خطا در محاسبات شود.

هیسترزیس پتانسیل ماتریک به دلیل تفاوت نحوه مرطوب شدن مجدد یک محیط خشک رخ می دهد. این فرآیند به تاریخچه اشباع شدگی محیط متخلخل بستگی دارد.

به عنوان مثال، محتوای حجمی آب برای یک محیط شامل خاک رس ریز در پتانسیل ماتریک 5 کیلو پاسکال (kPa)، با توجه به میزان اشباع شدگی قبلی محیط در محدوده ای بین 8 تا 25 درصد تغییر می کند.

«تانسیومتر» (Tensiometer)، وسیله ای برای اندازه گیری وضعیت رطوبت خاک (پتانسیل ماتریک آب) است.

این وسیله تحت تأثیر مستقیم هیسترزیس پتانسیل ماتریک قرار دارد. علاوه بر این، سنسورهای مورد استفاده برای اندازه گیری پتانسیل ماتریک آب نیز در داخل خود با پدیده هیسترزیس مواجه می شوند.

بلوک های مقاوم نایلونی و گچی، میزان پتانسیل ماتریک را به صورت تابعی از مقاومت الکتریکی اندازه گیری می کنند.

رابطه بین مقاومت الکتریکی و پتانسیل ماتریک سنسور، هیسترزیس را نمایش می دهد. ترموکوپل ها نیز پتانسیل ماتریک را به صورت تابعی از اتلاف حرارت اندازه گیری می کنند.

دلیل وجود هیسترزیس در این اندازه گیری، وابستگی اتلاف حرارت به محتوای آب سنسور است (وجود هیسترزیس رابطه بین محتوای آب سنسور و پتانسیل ماتریک).

از سال 2002 به بعد، در اکثر مواقع تنها منحنی دفع رطوبت در حین کالیبراسیون سنسورهای رطوبت سنج خاک مورد اندازه گیری قرار می گیرند.

علیرغم احتمال وجود خطای قابل توجه در این روش، تأثیر هیسترزیس مختص به سنسور به طور کلی نادیده گرفته می شود.