Schubsteifigkeit

Schubsteifigkeit, auch als Schersteifigkeit bezeichnet, bezeichnet die Widerstandsfähigkeit eines Materials gegen Scherdeformation. Sie ist definiert als das Verhältnis von Scherspannung τ zur Scherdehnung γ bei kleinen Verzerrungen und wird üblicherweise mit dem Symbol G angegeben. In einem isotropen, linear-elastischen Material gilt τ = G γ, wobei γ der Scherdehnung (in Radiant) entspricht. G beschreibt damit, wie fest sich ein Material gegen Formänderungen bei Scherung sträubt.

Zusammenhang mit anderen Größen: Für isotrope Materialien besteht G in der Regel in Zusammenhang mit dem Youngschen Modul E und der Poisson-Zahl ν durch G = E / [2(1+ν)]. Die Einheit ist Pascal; übliche Größenordnungen reichen von MPa bis GPa, je nach Material. Metalle und Keramiken weisen typischerweise G im Bereich von mehreren zehn bis über 60 GPa auf, Polymere zeigen größere Variationen (von MPa bis wenigen GPa), und elastomere Gummiwerkstoffe liegen oft im MPa-Bereich.

Messung und Eigenschaften: Die Schubsteifigkeit lässt sich in Torsions- oder Reibungsversuchen bestimmen; dynamische mechanische Analysen ermöglichen die Trennung in speichernde Moduli G' und verlustbehaftete Moduli G'' bei wechselnden Frequenzen. Bei anisotropen Materialien ist G kein einzelner Wert, sondern umfasst mehrere unabhängige Schubmodul-Komponenten, zusammengefasst im Steifigkeitstensor.

Anwendungsbeispiele: Die Schubsteifigkeit ist maßgeblich bei der Auslegung von Wellen, Achsen, Lagern und Verbundwerkstoffen; sie spielt auch in der Biomechanik und Geotechnik eine Rolle, etwa bei der Beschreibung der Scherresistenz von Geweben oder Böden.