Jousi

[Tuukka Kumpulainen]

Tässä yksi ikuisuusväittelyistä. Väsyykö jousi, jota ei koskaan rasiteta enempää kuin se on suunniteltu kestämään, käytön myötä, tuhansien laukausten jälkeen, menettäen lopulta heittonsa?

Tässä kommentti Leatherwallin forumilta, sanojana tietonsa monesti osoittanut nimimerkki Asharrow: "Engineers consider a wooden spring to have no fatigue cycle limit. If the wood is not stressed beyond its elastic limit, it will never fatigue."

Olen kuullut myös päinvastaisia toisenkäden tietoja insinöörien suusta. Miten on: Jos rakennan jousen, joka on mitoitettu ja tilleröity niin hyvin, että ensimmäisten tuhansien täyden vedon laukausten jälkeen sen taipumisessa ei ole mitään korjattavaa tai sisäänajon jälkeen kasvanutta settiä, onko odotettavissa, että se "mystisesti" menettää kykynsä toistaa sama tehtävä, ei enempää, uudestaan ja uudestaan?

On selvää, että puuaine itsessään haurastuu luonnollisten kemiallisten reaktioiden myötä vuosikymmenien kuluessa. Nyt en puhu tästä ominaisuudesta, vaan kimmorajansa sisällä rasitetun puun mekaanisesta väsähtämisestä.

Maailma (oma kellarini mukaanlukien) on pullollaan väsähtäneitä, paljon käytettyjä puujousia, mutta ne eivät kelpaa todisteeksi puisen jousenkaaren väsymisestä. Liian kapeaksi, lyhyeksi, kärkitoimiseksi, pyöreätilleriseksi tai hiemankin saranalliseksi tehdyt jouset osoittavat luonnollisesti vähittäin eteneviä väsähtämisen merkkejä, sillä niiden kaarissa kimmoraja ylittyy ainakin paikallisesti. Näin käy myös virheettömille jousille, joita säilytetään ja käytetään liian kosteassa, puuta heikentävässä ilmanalassa. En ole vielä nähnyt väsähtänyttä jousta, josta ei voisi nopealla vilkaisulla löytää hyvän syyn väsymiselle. Käypä esimerkki ovat ne lukemattomat saarnilankkukurssijouset, jotka on tehty "oikeaoppisesti" pyramidimallisiksi, eli tyvestä leveiksi ja kärjestä kapeiksi, mutta sitten tilleröity lähinnä ylikapeista ulkokaaristaan taipuviksi. Tai kolmekymmentä milliä leveät, pyöreävatsaiset, kotimaisista puista tehdyt 50-80-paunaiset jouset jne.

Kuulisin mielelläni jonkun näillä sivuilla vierailevan insinöörin näkemyksen asiaan.

[Tuomo]

Mielenkiintoinen asia tosiaan, mutta uskaltaisin väittää, että käytännössä täysin merkityksetön.

Jos materiaalia rasitetaan toistuvasti lähelle murtorajaa, se väsyy lopulta, olennaista on rasituksen määrä ja toistokerrat. Rasituksen määrästä riippuen toistokertoja voi olla 10, 100, tai vaikka 100exp10, ennen kuin materiaali murtuu.

Puu sinänsä ei ole koskaan homogeenistä, siinä on aina ennalta tuntematonta vaihtelua. Toiseksi, jos puujousi ottaa hiukankin settiä, sitä on rasitettu liikaa, setti kertoo, että puun rakenteessa on tapahtunut mikroskooppisia muutoksia, joten jos puujousta rasitetaan edelleen toistuvasti, joskus se murtuu.

Asiaa voi myös ajatella niin, että ota jousi ja laita se täyteen vetoon tilleripuuhun. Hajoaako jousi joskus? Ehkä, ehkä ei, ainakin jousi vaurioituu, ellei se nyt ole aivan ylimitoitettu. Jousi vaurioituu siksi, että se on tehty kestämään vain hetkellistä suurta rasitusta (kuormitusnopeuden kasvaessa lujuus kasvaa). Tästä voinee päätellä, että jos toistokertoja on riittävästi, jousi väsyy, koska puussa ei itsessään ole mitään itsekorjautumismahdollisuutta. Päättely siksi, että jousta rasitetaan yli sen staattisen rasituksen sietokyvyn, jolloin jousi ottaa esimerkiksi settiä tai rasittuu peruuttamattomasti muulla määrittelemättömällä tavalla. Toisaalta pitkä aika tilleripuussa vastaa periaatteessa toistuvia hitaita vetoja täyteen vetoon, jolloin mitään hetkellistä lujuuden kasvua ei tapahdu, jos tapahtuu muutenkaan jousiampujan aikaskaalassa.

Jos taas tehdään aivan ylimitoitettu jousi, joka ei ota settiä ja jota rasitetaan vain murto-osa siitä, mitä ?oikeaa? jousta, mekaanista väsymistä ei välttämättä tapahdu. Välttämättä, koska on asia on hyvin vaikea todentaa; jos muutoksia tapahtuu, ne tapahtuvat mikroskooppisella tasolla pitkän ajan kuluessa, jolloin niitä on äärimmäisen vaikea, ehkä mahdotontakin erottaa ajan myötä tapahtuvasta, puun kemiallisesta muutoksesta

Mielestäni se, että maailma on pullollaan väsähtäneitä jousia, kelpaa mainiosti todisteeksi siitä, että puinen jousenkaari väsyy. Hyvä puujousi on yksinkertaisesti pakko rakentaa niin, että sitä rasitetaan liikaa, jolloin jousi ottaa esimerkiksi settiä. Normaalisti rasitettu puujousi voi ottaa settiä vaikka sitä pystyisi mittaamaankaan. Ja edelleen pitää muistaa se, että yksi jousi voi kestää 10 vetoa väsymättä, toinen miljoona vetoa väsymättä, riippuen rasituksesta.

Tähän kysymykseen saa yhtä paljon vastauksia kuin on insinöörejäkin. Vaikka joku materiaalifyysikko (tässä ei oikeastaan insinööriys auta, aihe palautuu lopulta materiaalifysiikkaan) osoittaisikin, että teoriassa on olemassa jokin maksimikuormitus, jota ei saa ylittää, jolloin puu ei väsy, ei sillä ole puujousen tekijän kannalta mitään käytännön merkitystä.

Tällaista lätinää, termit vähän hakusessa, samoin perustelut, joku asiasta oikeasti tietävä voi täsmentää. Toivottavasti kuitenkin ymmärsitte ajatukseni.

Tuossa on vielä kaksi linkkiä Tampereen teknillisen yliopiston materiaaliopin laitoksen kurssimateriaaliin, koskien metallien ominaisuuksia, ihan hyvä pieni perusteoriapläjäys.

Staattinen kuormitus
http://www.ims.tut.fi/vmv/2004/vmv_2_1_1.php

Väsyminen
http://www.ims.tut.fi/vmv/2004/vmv_2_1_3.php

[Guest]

Olen joskus keräillyt dataa asiasta. Sitkan- ja douglaskuusen arvot olen löytänyt. Tietynlaisella samaan suuntaan toistuvalla (ulokepalkki, kärkikuorma) taivutuksella tuhannella toistolla oli lujuus 70-80% staattisesta lujuudesta. Toisaalta näillä lajeilla 50 miljoonan kuormituksen kohdalla lujuus oli luokkaa 35%.

Puun kohdalla pulmana on lisäksi lujuuden riippuvuus kuormitusnopeudesta. Jos kyseisen ulokepalkin päähän ripustetaan kuorma ja odotetaan niin muistaakseni päästään n. 25 % nopean kuormituksen lujuudesta.

Koejärjestely vaikuttaa asiaan miten taivutuksessa vedon/puristuksen ja leikkauksen suhteet menvät. Pitkä ja hoikka koekappale yleensä pettää vedolla/puristuksella ja lyhyt ja korkea leikkauksella.

Aiheesta on kirjoitettu kirjoja. Tuossa kuitenkin muutama osviitta.

TLM

[Guest]

Ei pitäis luottaa enää muistiinsa! Kaivoin tuon yhden amerikkalaisen lähteen ja tarkistin tuon staattisen lujuuden ajan mukana. Arvot ovat yhdelle männylle, mutta lienevät tyypillisiä havupuille.

Aika Suht. lujuus
1s 1.22
1 min 1.05
20 min 1
1 t 0.9
1 p 0.82
1 kk 0.73
1 v 0.67
10 v 0.62

TLM

[Joonas Kekoni]

"Engineers consider a wooden spring to have no fatigue cycle limit. If the wood is not stressed beyond its elastic limit, it will never fatigue."

Jos puu on ottanut settiä, niin eikö se ei ole toiminut ei-elastisella alueellaan?

Mutta Tuukka tarkoitti ilmeisesti, että onko alue jolle järkevästi mitoitetun jousen voi vetää (tai pysyvästi? ) rajattomasti toistuvasti, ilman että ensimmäinsillä vedoilla aiheutunut setti kasvaa enempää?

Suhtaudun epäilevästi, että jousena toimivasti mitoitetulla jousella
tällaista aluetta olisi.

Jos haluat kokeilla kuinka paljon puuta voi taivuttaa ilman että se väsyy, helpoin tapa on tehdä jousi 5cm jännekorkeudella ja jättää se pysyvästi vireeseen 3kk:ksi. Jos jousi ei ole ottanut settiä voit lisätä jännekorkeutta 2cm ja jatkaa koetta. Tämä voi olla akateemisesti mielenkiintoinen koe, mutta jousen(bow) rakentamiselle sen hyödyt lienevät aika rajallisia.

Sitten tuli mieleeni. että toiset puut ottavat settiä enemmän ja toiset vähemmän. TBB I(??) mainittiin että teak ei juuri ota settiä ennenkuin selkä katkeaa, en silti jaksa uskoa että siitä voi tehdä järkevä jousen joka ei väsy ollenkaann.

Huomaa
spring (Levyjousi, kierrejousi)
bow ( jousi ase ja viulun jousi).

Ai niin kelpaako Tietoliikkenneohjelmistojen tutkinto vierailevalle insinöörille?

[Simo Hankaniemi]

Jos jousi ei ottaisi settiä, niin silloinhan ikiliikkuja olisi keksitty. Ei taida olla mahdollista, kun koko universumikin tullee lopulta "väsymään" ja katoamaan. Ja parempi niin minun mielestäni. Niin jousen kuin universuminkin kohdalla sen olemassaololle antaa merkitystä juuri rajallisuus. Jousen "kuuluu" kestää aikansa, minkä jälkeen se tekee tilaa uudelle ja ehkä entistä ehommalle jouselle.

[Guest]

Puu on kovin viskoelastinen materiaali kuten esitetystä datasta näkyy. Elastisen raajan määritteleminen ei onnistu.

Mikä sitten valitaan rajaksi?

Tuo tuukan referoima lause pitää paikkansa kun rasitustaso on riittävän pieni, tosin se pitää paikkansa monille muillekin materiaaleille esim. teräkselle. Yleisesti käytettyistä materiaaleista (joista joku voisi kuvitella tekevänsä jousen) taitaa alumiini olla ainoa jolla tällaista rajaa ei ole.

On kyllä niinkin, että puulla tuo raja on suhteellisesti aika korkealla.

Setin ottamisella ei ole mitään tekemistä ikiliikkumisen kanssa, on aineita, jotaka eivät ota settiä eikä se silti auta ikilliikkujan tekemisessä yhtään. Tarkoittaa vain, että aine ei viru.

"Optimi" materiaali jouselle olisi aine, joka on hyvin kevyt, ei viru, jolla on aika pieni kimmomoduli ja pieni sisäinen vaimennus. Ei taida vielä olla löytynyt. Mikä sitten olisi olemassa olevista paras? En tiedä, ja selville ottaminen on ei-triviaali projekti.

Toisaalta sitä voisi ihmetellä katsomalla mistä materiaalista on syntynyt parhaat jouset. Mikä on "paras"? Näin verraten puu ei ole huono.

TLM

[Guest]

[Guest]

Simolla ei selvästi ole käsitystä siitä mikä ikiliikkuja on. Jousi ei tee yhtään mitään ennenkuin ampuja on siihen siirtänyt lihaksistaan energiaa, joka laukauksella erikseen. Ikiliikkumisesta ei siis ole lainkaan kyse.