Bulk Elastic Properties

The bulk elastic properties of a material determine how much it will compress under a given amount of external pressure. The ratio of the change in pressure to the fractional volume compression is called the bulk modulus of the material.

A representative value for the bulk modulus for steel is and that for water is The reciprocal of the bulk modulus is called the compressibility of the substance. The amount of compressionof solids and liquids isseen to be very small.

The bulk modulus of a solid influences the speed of sound and other mechanical waves in the material. Het is ook een factor in de hoeveelheid energie die is opgeslagen in vast materiaal in de aardkorst. Deze ophoping van elastische energie kan heftig vrijkomen bij een aardbeving, dus het kennen van bulkmoduli voor de materialen van de aardkorst is een belangrijk onderdeel van het onderzoek naar aardbevingen. De bulkmodulus is een factor in de snelheid van seismische golven van aardbevingen.

Een veel gehoorde uitspraak is dat water een onsamendrukbare vloeistof is. Dit is strikt genomen niet waar, zoals blijkt uit de eindige bulkmodulus, maar de mate van samendrukking is zeer gering. Op de bodem van de Stille Oceaan, op een diepte van ongeveer 4000 meter, is de druk ongeveer 4 x 107 N/m2. Zelfs onder deze enorme druk is de fractionele volumecompressie slechts ongeveer 1,8% en die voor staal zou slechts ongeveer 0,025% bedragen. Men kan dus stellen dat water bijna niet samendrukbaar is. Referentie: Halliday, Resnick, Walker, 5th Ed. Extended.

John Hermance wijst erop dat voor een nauwkeuriger beeld van de samendrukbaarheid van water, rekening moet worden gehouden met de temperatuur. De reden waarom de samendrukbaarheid van 1,8% hierboven kan worden genoemd, is dat de samendrukbaarheid van het water bij 20°C aan de oppervlakte ongeveer gelijk is aan de samendrukbaarheid op 4000 m diepte als de temperatuur op de bodem 5°C is. De samendrukbaarheid bij die druk en diepte heeft een hogere waarde vanwege de koudere temperatuur dan bij 20°C het geval zou zijn geweest. Met behulp van de gedetailleerde samendrukbaarheidsgegevens voor water uit de Fine & Millero compilatie, kan men zien dat als de bodemtemperatuur 5°C zou zijn, de samendrukbaarheid ongeveer 1,82% zou zijn, maar als het 20°C zou zijn, zou de samendrukbaarheid ongeveer 1,66% zijn.

Een andere manier om het te stellen is dat als de bodemtemperatuur 5°C is, de samendrukbaarheid van oppervlakte tot diepte met slechts 0,9% zou afnemen, terwijl als de bodemtemperatuur ook 20°C zou zijn, de samendrukbaarheid met ongeveer 9,6% zou afnemen.

Hermance’s belangstelling voor dit gedetailleerde samendrukbaarheidsbeeld komt voort uit de toepassing op de samendrukbaarheid van grondwater in de ondergrond van de aarde. Dit grondwater kan een hogere temperatuur hebben, en de verandering in samendrukbaarheid is van groot belang voor het begrip van de opslag en het vrijkomen van grondwater uit scheuren en poriën in het gesteente, en van de effecten van hydrofracturering, aardbevingen, enz. in de bovenste korst van de aarde.