انسان در طول تاریخ با بهره‌گیری از قواعد و قوانین علمی ثابت شده توانسته است در حوزه‌های بسیاری پیشرفت کرده و به نوعی نیازهای خود را به شکل راحت‌تری برطرف کند. برای نمونه با استفاده از قاعده هوک متخصصین توانسته‌اند موادی با خاصیت کشسانی بالایی را تولید کرده و به واسطه آن برخی انجام برخی امور را آسان‌تر کنند. این قانون شاخص فیزیکی در زندگی روزمره انسان نقش بسیار زیادی داشته و همواره در بسیاری از فرایندها نقش پررنگی داشته است.
امروزه با استفاده از قانون هوک متخصصین توانسته‌اند موادی با خاصیت مشابه خاصیت کشسانی فنر را تولید کرده و برخی از نیازهای انسان را در زمینه‌های مختلف به خصوص بسته بندی را برطرف کنند. در ادامه این مقاله در مورد قانون پرکاربرد هوک و نقش آن در علم و صنعت به ویژه تولید مواد بسته بندی به توضیحات کامل‌تر و دقیق‌تری می‌پردازیم.
علت خاصیت کشسانی در پلاستیک
قانون هوک چیست؟
قانون هوک یک قاعده بسیار مهم در فیزیک، مکانیک و دانش مواد است، این قانون همواره بر نیروی وارد شده به جسم و تغییر شکل جسم اشاره دارد. در واقع در قانون هوک بین تغییر طول یک جسم و میزان و نوع نیروی وارد شده به آن رابطه خطی با یکدیگر دارند.
تمامی مواد به مقدار مشخصی خاصیت کشسانی دارند، اما میزان خاصیت کشسانی به ماهیت و هندسه جسم و همچنین نوع مواد تشکیل‌دهنده آن بستگی دارد. اما قانون هوک تا زمانی صادق است که جسم در اثر نیروی وارده از حد کشسانی خود خارج نشود. آن دسته از اجسامی که قاعده هوک برای آن‌ها تقریبی مناسبی است، همواره مواد کشسان خطی یا هوکی نامیده می‌شوند. قانون هوک در زبان ریاضی به صورت زیر تعریف می‌شود:
f=-kx
از این فرمول در ساده‌سازی نیروی کشسانی فنر نیز استفاده می‌شود. به زبان ساده این فرمول بیان می‌کند که بین نیروی مقاومت یا بازگرداننده فنر با ثابت تعادل و جابه‌جایی فنر در حالت کشیده ارتباط مستقیمی وجود دارد. علت استفاده از علامت نفی در کنار ثابت تعادل این است که همواره نیروی بازگرداننده فنر و ثابت تعادل فنر در جهت مخالف هم اعمال می‌شوند.
یک فنر همواره تمایل دارد تا به حالت تعادل خود بازگردد، به همین جهت زمانی که به آن نیروی در جهت افزایش طول و کشسانی آن وارد می‌شود سریعا نیرویی تحت عنوان نیروی بازدارنده از سمت خود فنر در خلاف جهت حالت کشسانی اعمال می‌شود.
کاربرد قانون هوک در کشسانی مواد
بر اساس مطالب علمی گفته شده، انسان با الهام گرفتن از قانون هک و رعایت این اصل مهم توانسته مواد کاربردی بسیاری با خاصیت کشسانی مناسب را طراحی و تولید کند. با نگاه‌کردن به اطراف خود خواهید دید که بسیاری از مواد موجود در گوشه‌وکنار منزل همواره از قانون هوک پیروی می‌کنند. قبل از پرداختن به بحث کاربرد قانون هوک در کشسانی مواد بهتر است با خاصیت کشسانی یا الاستیسیته آشنا شوید.
تعریف خاصیت کشسانی یا الاستیسیته
خاصیت کشسانی یا الاستیسیته یک جسم همواره نشان‌دهنده شکل‌پذیری جسم و تغییر شکل بازگشت‌پذیر است. خاصیت کشسانی زمانی اتفاق می‌افتد که رابطه خطی قاعده هوک همواره برقرار باشد. در غیر این صورت ممکن است جسم در اثر کشش زیاد دچار کاهش ضخامت شده و خاصیت الاستیسیته خود را از دست بدهد.
برای نمونه کش‌های پلاستیکی و نخی که خانم‌ها برای بستن موها خود استفاده می‌کنند دارای خاصیت کشسانی بالایی هستند. اما یک شرط اساسی در خاصیت کشسانی این کش‌ها وجود دارد و آن این است که چنانچه نیروی وارده به این کش‌ها به حدی باشد که ساختار کش از ناحیه کشسانی عبور کند، باعث می‌شود تا جسم دچار پارگی شود. با استفاده از نمودار زیر بهتر و کامل‌تر می‌توان به عمق مطلب پی برد.
نمودار تنش-کرنش
زمانی که خاصیت کشسانی جسم در بازه تنش تسلیم تا تنش نهایی قرار می‌گیرد، رابطه قانون هوک غیرخطی شده و در نتیجه تغییر شکل الاستیک به تغییر شکل پلاستیک تبدیل و جسم دچار شکستگی یا پارگی می‌شود.
در واقع تا زمانی که حد کشسانی جسم در محدوده تنش تسلیم است، نوع کشش آن الاستیک بوده و از رابطه خطی قانون هوک پیروی می‌کند، اما زمانی که حد کشسانی جسم از محدود تنش تسلیم می‌گذرد، از رابطه قانون هوک پیروی نکرده و ضخامت جسم به میزان صریحی کاهش می‌یابد، در نهایت نمی‌تواند به شکل اولیه خود بازگشته و در اغلب موارد دچار گسیختگی می‌شود. در واقع مرحله شکم‌دهی نشانگر سخت‌شوندگی کرنش و کاهش ضخامت جسم است.
رابطه بین قانون هوک و خاصیت کشسانی پلاستیک
مصرف مواد پلاستیکی بعد از جنگ جهانی دوم به طرز عجیبی افزایش یافت. از آن زمان تا به امروز از مواد پلاستیکی در صنایع مختلف از جمله ساخت لوازم برقی و مکانیکی و… استفاده می‌شود. از مواد پلاستیکی که از آن‌ها بیشتر به عنوان پلیمرهای سنتزی یاد می‌شود، چندین دهه است که در صنعت بسته بندی استفاده می‌شوند.
در تعریفی دقیق‌تر می‌توان گفت که پلاستیک درشت مولکولی آلی است که از طریق پلیمریزاسیون تراکمی و تخمیر زیستی و در اثر ترکیب با مولکول‌های کم‌وزن تشکیل می‌شود. پلاستیک در زندگی روزمره کاربرد بسیار وسیعی دارد که بسته بندی یکی از این موارد کاربرد است.
پلاستیک تقسیم بندی بسیار متنوعی داشته که هرکدام بنا بر مواد تشکیل دهنده و ماهیت خود در بخش‌های مختلفی از صنعت استفاده می‌شوند. از جمله انواع کاربردی و مهم پلاستیک در صنعت می‌توان به پلی‌اتیلین ترفتالات یا همان پلی استر، پلی اتیلن فشرده، پلی وینیل کلراید، پلی اتیلن با چگالی کم، پلی پروپلین و پلی استیرن اشاره کرد.
در بین این دسته‌بندی‌ها پلاستیک از نوع پلی‌اتیلن با چگالی کم در صنعت بسته بندی کاربرد گسترده و ویژه‌ای دارد. پلی‌اتیلن با چگالی کم (LDPE) خاصیت کشسانی و الاستیسیسته بالاتری نسبت به سایر پلاستیک‌ها دارد.
پلی‌اتیلن LDPE
آشنایی با پلی اتیلن کم‌چگالی و ارتباط آن با قانون هوک
پلاستیک از نوع پلی‌اتیلن با چگالی کم ماده‌ای نرم، سبک‌وزن و منعطف است. این نوع از پلاستیک از قانون هوک پیروی کرده و به نوعی مانند فنر عمل می‌کند. پلی‌اتیلن کم‌چگالی مقاومت شیمیایی و ضربه‌پذیری بالایی داشته و به همین جهت در صنعت بسته بندی بیشتر مورد توجه متخصصین قرار می‌گیرد.
از این نوع پلاستیک در تعداد معدودی از فیلم‌های بسته بندی استفاده می‌شود. مواد پلی‌اتیلن LDPE در ساخت فیلم‌های بسته‌بندی چون فیلم استرچ استفاده می‌شوند. فیلم استرچ نیز به دلیل داشتن این نوع مواد پلاستیکی از قانون هوک تبعیت کرده و به همین جهت دارای خاصیت کشسانی بالایی است. خاصیت الاستیسیته در صنعت بسته بندی مزیت‌های بسیار زیادی دارد که در ادامه برخی از آن‌ها معرفی می‌کنیم:
- کاهش سقف هزینه‌های سنگین بسته بندی
- پوشش کامل محصول
- افزایش زیبایی ظاهری محصول
آشنایی با فیلم استرچ و کاربرد آن در صنعت بسته بندی
همان گونه که در مطالب بالا گفته شد در فیلم استرچ از مواد پلاستیکی با خاصیت کشسانی بالا استفاده شده است. آستانه ظرفیت کشسانی این فیلم نسبت به سایر فیلم‌ها بیشتر است، علت این امر تبعیت مواد پلی‌اتیلن LDPE از رابطه خطی قانون هوک است.
مولکول‌های این مواد به صورت زنجیری به هم متصل شده‌اند که با اعمال نیروی مشخصی از یکدیگر فاصله گرفته و موجب افزایش طول زنجیره می‌شوند، این افزایش طول زنجیره تا حد تنش تسلیم صورت می‌گیرد تا فیلم استرچ بیشترین میزان کشش خود را داشته باشد.
شاید در نگاه اول این طور به نظر آید که فیلم استرچ شیمیایی بوده و جدای از بحث خاصیت کشسانی خود برای بسته بندی مناسب نیست، در حالی که این فیلم کاملا بهداشتی بوده و در طی یک پلیمریزاسیون تشکیل می‌شود. از این فیلم اغلب در بسته بندی مواد غذایی به منظور حفظ طراوت و کیفیت آن‌ها استفاده می‌شود.
با مراجعه به فروشگاه‌های عرضه مواد غذایی محصولات بسیاری را با بسته بندی بسیار شفاف و مقاومی را مشاهده می‌کنید، در بسته بندی این مواد از فیلم استرچ استفاده می‌شود.
فیلم استرچ
مزایای فیلم استرچ
فیلم استرچ به دلیل داشتن مقاومت بسیار بالا و خاصیت کشسانی مطلوب می‌تواند در ابتدا نسبت به شکل جسم موردنظر کشیده شده و بعد از پوشش جسم تا حد معینی به حالت اولیه خود بازگردد.
این امر باعث می‌شود تا محصول به صورت کاملا محکم بسته بندی شده و در برابر نفوذ و اثرگذاری عوامل محیطی خارجی مانند واکنش‌های شیمیایی، نور، گرما و نفوذ حشرات بسیار مقاوم شود. از دیگر مزایای این فیلم می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:
- عایق در برابر گرما و الکتریسیته
- قدرت چسبندگی بالا
- ضدویروس
- فاقد مواد سمی و مضر
این فیلم در بسیاری از شرکت‌های تولیدکننده نایلون‌های بسته بندی تولید و به بازار عرضه می‌شود. اما کیفیت و مراحل ساخت این فیلم همواره در کارایی آن تاثیر بسیار زیادی دارد.
شرکت نادی پلاستیک یکی از بزرگ‌ترین شرکت‌های تولیدکننده انواع فیلم بسته بندی است. فیلم استرچ در این شرکت با بهترین فرایندهای شیمیایی غیر مضر و استریلیزه تولید می‌شود. اگر شما هم تمایل به خرید فیلم استرچ باکیفیت و شفاف را دارید حتما از وب‌سایت رسمی نادی پلاستیک دیدن فرمایید.
جمع‌بندی
قانون هوک در جنبه‌های مختلف زندگی بشر تاثیر بسزایی دارد. از این قاعده در ساخت بسیاری از لوازم تزئیتی، مکانیکی و… استفاده می‌شود. برای نمونه برای ساخت فیلم‌های بسته بندی همواره رابطه خطی قانون هوک در نظر گرفته می‌شود تا حتی‌الامکان فیلم‌های بسته بندی در عین داشتن خاصیت کشسانی مقاومت بالایی در برابر پارگی از خود نشان دهند. فیلم استرچ نیز از جمله فیلم‌هایی است که از مواد پلاستیکی با خاصیت الاستیسیته بالا تشکیل شده و به همین دلیل در بسته بندی اقلام مختلفی کاربرد دارد.