פוטואלסטיות

פוטואלסטיות היא שיטה פיזיקלית אופטית המאפשרת איסוף מידע אודות הפיזור או הפילוג של מאמצים ומעוותים (עיבורים) במבנה על פני שטחים, בניגוד למדידות נקודתיות באמצעות מד עיבור. השיטה מסתמכת על כך שבחומרים שקופים מסוימים מהירות האור ובהתאם גם מקדם השבירה של האור, תלויים ברמת המאמץ או המעוות (עיבור). אם המאמץ בכיוונים שונים אינו אחיד, תתקבל שבירה כפולה. תחת אור מקוטב נוצרת התאבכות בין רכיבים של גלי האור שהתקדמו במהירות שונה ומתקבלת תמונת פסים. אור לבן יוצר פסים בכל צבעי הקשת, אור מונוכרומטי ייצור פסים כהים ובהירים לסירוגין. ככל שהמאמץ בחומר הפוטואלסטי גדול יותר כן גדל מספרם של מחזורי הצבעים. הפוטואלסטיות מיישמת את התופעה הזו לצורך אנליזה ניסויית של מאמצים ועיבורים וככזו היא כלי חשוב ליישום תורת חוזק חומרים ומסייעת לתיכון מבנה שצורתו הגאומטרית מאפשרת חלוקה טובה יותר של עומסים, וכתוצאה - מבנה עמיד יותר.
השם הוא צירוף של המילים היווניות פוטו שמשמעה אור ואלסטיות.

היסטוריה

תופעת השבירה הכפולה והקשר בינה ובין המאמצים והעיבורים נתגלתה לראשונה על ידי הפיזיקאי הסקוטי דייוויד ברוסטר. ממצאיו של ברוסטר היו בסיס לעבודות דומות של אוגוסטן ז'אן פרנל ושל ג'יימס קלארק מקסוול. החל משנות הארבעים של המאה ה-20 יושם הידע הזה כאמצעי למחקר לפיתוח תורת חוזק חומרים    . התפתחות בתורת חוזק חומרים יחד עם יישום נרחב של פוטואלסטיות, השפיעו במיוחד על התפתחות המטוסים בשנות ה-40 וה-50 של המאה ה-20. השיפורים הניכרים שחלו במבנה מטוסים ובביצועיהם נבעו, בין השאר משיפור בחומרי המבנה ובגאומטריה של המבנה. בשנים שלאחר מלחמת העולם השנייה הופיעו מטוסים עם מבנה קל מאד יחסית למשקלם. מבנה כזה רגיש להעמסה מחזורית, הגורמת לעייפות החומר, יותר מאשר להעמסה סטטית, ולכן השיטות הישנות והפשוטות להוכחת העמידות של מבנה – העמסה הדרגתית עד כשל - אינן מספקות, משום שאופן הכשל ומקומו שונים. הפוטואלסטיות, בהיותה שיטה המאפשרת כיסוי שטחים שלמים, מאפשרת זיהוי האזורים שבהם צפוי כשל התעייפות. בשנות ה-60 וה-70 של המאה ה-20 שימשה הפוטואלסטיות כלי עזר לפיתוח שיטות ממוחשבות לאנליזת מאמצים ובעיקר שיטת אלמנטים סופיים  בשנים אלו כמעט כל מפעל מטוסים גדול החזיק מעבדה פוטואלסטית. בשנות ה-80 החלה ירידה בהיקף השימוש בפוטואלסטיות בגלל השיפור ביכולות ובזמינות של מחשבים ותוכנות לניתוח מאמצים. אולם בגוש המזרחי, בגלל נחיתות ביישומי מחשב, הייתה התפתחות ניכרת של הפוטואלסטיות. כמעט בכל בית ספר להנדסה בעולם נעזרים בפוטואלסטיות לצורך הדגמה של חלוקת מאמצים ולימוד חוזק חומרים. בישראל פעלו מספר מעבדות פוטואלסטיות. בטכניון בראשות הפרופ' אברהם בצר, באוניברסיטת תל אביב בראשות הפרופ' מירצ'ה ארקאן ובמכון ויצמן בראשות הפרופ' דניאל וגנר. כמו כן פעלו בישראל מעבדות פוטואלסטיות בתעשייה האווירית, ברפא"ל, ובסניף הישראלי של חברת וישיי.

ציפוי פוטואלסטי

השיטה הנפוצה ביותר היא ציפוי פוטואלסטי. ציפוי של חומר מתאים מיושם לרוב על מבנה אמיתי או חלק ממנו, ואת המבנה הזה בוחנים באמצעות פולריסקופ החזרה. על המבנה מפעילים עומסים המייצגים את עומסי השרות שלו.

דגמים דו-ממדיים

אלו מיועדים לפולריסקופ העברה. אפשר להשתמש גם בפולריסקופ החזרה ואז אחד מצידי הדגם יצופה בחומר מחזיר אור. PVA (פוליוויניל אלכוהול) מעורבב באבקת אלומיניום, מהווה ציפוי מוצלח משום שברק ההחזרה הוא מט, וקל לקלף ציפוי כזה ללא נזק לדגם.

דגמים תלת-ממדיים דקים

ניתן במקרים רבים לייצר דגם תלת-ממדי ולבחון אותו בפולריסקופ רגיל, בהנחה שפיזור המאמצים הוא דו-ממדי, הדבר יהיה נכון עבור מבנים שצורתם היא צירוף של אלמנטים דקים, או שהמשטחים שלהם מקבילים זה לזה.

דגמים תלת-ממדיים

יישום פוטואלסטיות למבנה תלת-ממדי בעל צורה מורכבת הוא מסובך ויקר, ולכן כמעט אינו נמצא כיום בשימוש.