Elastooptyka stanowi zbiór metod doświadczalnych przeznaczonych do badania stanu naprężeń i odkształceń w ciałach bezpostaciowych, normalnie izotropowych, takich jak szkliwa, polimer oraz celuloid, które wykazują pod obciążeniem cechy o charakterze anizotropowym. Właściwości w tym zakresie przejawiają się między innymi dwójłomnością optyczną.
Pod wpływem naprężeń materiały nabierają cech optycznych kryształu jednoosiowego o osi optycznej skierowanej równolegle do kierunku rozciągania lub ściskania i przy oświetleniu światłem spolaryzowanym. W wyniku zjawiska dwójłomności następuje rozszczepienie światła na dwie składowe i pojawienie się prążków interferencyjnych tworzących dwa charakterystyczne rodzaje linii, czyli izokliny i izochromy. W efekcie jest możliwe wyznaczanie naprężeń w dowolnym punkcie ciała.
Naprężenia szkła
Nie ma wątpliwości co do tego, że w przypadku wystąpienia skokowych zmian kształtu obciążanego elementu, a także zastosowania otworów, szczelin i wcięć oraz oddziaływań innych elementów o charakterze lokalnym dochodzi do zjawiska koncentracji naprężeń. Bardzo często maksymalne wartości naprężeń zdecydowanie przekraczają wartości dopuszczalne, które z reguły obliczane są z uwzględnieniem ich równomiernego lub wolnozmiennego charakteru rozkładu. Należy podkreślić, że miejsca występowania naprężeń stanowią zazwyczaj obszary powstawania pęknięć zmęczeniowych lub uszkodzeń doraźnych.
Istotne jest, że wytrzymałość szkła na rozciąganie jest stosunkowa niewielka. Dodatkowo znacznie zmniejszyć ją mogą wszelkie nierówności na powierzchni szkła, takie jak chociażby rysy. Szkło zachowuje się idealnie elastycznie co powoduje, że po przekroczeniu granicy plastyczności nie jest możliwe przekształcanie sił rozciągająco-ściskających w odkształcenie plastyczne, a co za tym idzie, szkło pęka.
Do naprężeń szkła bardzo często dochodzi w przypadku nadmiernego zakrycia krawędzi szyby przez ramę oraz umieszczenia na zainstalowanym przeszkleniu folii, która absorbuje ciepło. Należy podkreślić, że w budynkach nieogrzewanych zjawisko pękania szkła w efekcie działania naprężeń termicznych może się nasilić. Do naprężeń termicznych szkła dochodzi również jeżeli przepływ powietrza wychodzącego z otworów instalacji grzewczej lub klimatyzacyjnej skierowany jest bezpośrednio na szkło. Niejednokrotnie zastosowanie wewnętrznych urządzeń zacieniających (kurtyny, zasłony, żaluzje) może powodować zwiększenie poziomu naprężeń termicznych. Stąd też montaż urządzeń zacieniających powinien być poprzedzony odpowiednio przeprowadzoną analizą termiczną.
Szkło niejednokrotnie jest narażone na naprężenia termiczne podczas procesu przechowywania w magazynie jeszcze przed przetworzeniem czy też zamontowaniem. Ważne jest zatem, aby szkło było przechowywane w suchym i czystym pomieszczeniu, z ograniczonym działaniem promieniowania słonecznego. Naprężenia termiczne mogą powstać w ramach oszklenia o wysokim współczynniku przewodności lub stykające się z betonem lub innymi materiałami, które mogą sprzyjać obniżaniu temperatury na krawędziach szyb.
W przypadku, gdy szkło jest częściowo zacienione, chociażby przez otaczające budynki, to cechuje się ono niższą temperaturą w obszarach zacienienia. W efekcie bardzo często dochodzi do naprężeń przyczyniających się do pęknięcia szkła. Należy podkreślić, że poziom nagrzania centralnego obszaru przeszklenia w dużej mierze zależy od stopnia absorpcji, która jest różna w zależności od rodzaju szkła. Ważne pozostaje zatem aby miejsca pęknięć powstałych w efekcie działania naprężeń termicznych poddać analizie celem ustalenia ewentualnej konieczności przeprowadzenia obróbki cieplnej przeszklenia poprzez wzmacnianie termiczne lub hartowanie.
Metoda badania naprężeń na powierzchni szkła float
Założenia elastooptyki
Elastooptyka jako metoda badania stanu naprężeń na większych obszarach znajduje zastosowanie wyłącznie przy badaniu obiektów płaskich, cechujących się jednakową grubością, a więc dostarczane są informacje o płaskim stanie naprężeń. W metodzie badań bazujących na elastooptyce uwzględniane jest światło monochromatyczne. Wektor światła drga w płaszczyźnie prostopadłej w kierunku rozchodzenia się światła. Można powiedzieć, że kierunek tych drgań jest dowolny. Jednak niejednokrotnie orientacja jest uporządkowana i wtedy mówi się o świetle spolaryzowanym. Za jeden z takich przypadków uznaje się światło liniowo spolaryzowane, uzyskiwane dzięki przepuszczeniu wiązki światła przez specjalny filtr polaryzacyjny. Tym sposobem powstaje fala płaska z wektorem w jednym kierunku a drgania składowe są zgodne w fazie; zatem koniec wektora świetlnego przemieszcza się wzdłuż linii prostej. Oś filtru to kierunek wymuszonej polaryzacji światła a filtr zależnie od miejsca, jakie zajmuje w układzie, jest polaryzatorem (gdy jest przed modelem) lub analizatorem (gdy jest za modelem).
Istotną rolę odgrywa izoklina, czyli miejsce grupy punktów modelu, gdzie kierunki naprężeń głównych są takie same. Kąt nachylenia jednego z kierunków głównych względem przyjętego układu odniesienia nazywany jest parametrem izokliny. Należy podkreślić, że obraz izokliny zależy od ustawień polaryzatora i analizatora. W momencie, gdy dojdzie do wzajemnego wygaszenia składowych promienia mówi się o izochromach. Takie przesunięcie fazowe składowych promienia jest krotnością okresu drgań. Izochroma stanowi miejsce grupy punktów modelu, gdzie różnica naprężeń głównych cechuje wartość stała. Stanowi ona jednocześnie warstwicę ekstremalnych naprężeń statycznych, nie zmieniających położenia w efekcie obrotu skrzyżowanego ze sobą polaryzatora i analizatora.
Podczas badania używa się polaryskopów liniowych. Są to układy optyczne składające się ze źródła światła, polaryzatora oraz analizatora z osią optyczną prostopadłą do osi polaryzatora. W efekcie światło będące spolaryzowane liniowo po przejściu przez polaryzator będzie całkowicie wygaszone przez analizator. Sytuacja taka nie ulegnie zmianie w momencie, gdy między polaryzator zostanie wstawiony nieobciążony model. Wraz z obciążeniem w efekcie zachodzącej dwójłomności wymuszonej dojdzie do względnego przesunięcia składowych drgań a część światła zostanie przepuszczona przez analizator.
(...)
Damian Żabicki
Literatura:
Analiza stanu naprężenia metodą elastooptyczną, Instytut Mechaniki i Inżynierii Obliczeniowej, Wydział Mechaniczno-Technologiczny, Politechnika Śląska,
Wprowadzenie do zagadnienia elastooptyki,
http://brasil.cel.agh.edu.pl
Całość artykułu w wydaniu drukowanym i elektronicznym
Inne artykuły o podobnej tematyce patrz Serwisy Tematyczne
Więcej informacji: Świat Szkła 7-8/2014
