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. Jest to również czynnik wpływający na ilość energii przechowywanej w materiale stałym w skorupie ziemskiej. To nagromadzenie energii sprężystej może zostać gwałtownie uwolnione podczas trzęsienia ziemi, więc znajomość modułów sprężystości dla materiałów skorupy ziemskiej jest ważną częścią badań nad trzęsieniami ziemi. Moduł objętościowy jest czynnikiem wpływającym na prędkość fal sejsmicznych powstających podczas trzęsień ziemi.

Powszechnym stwierdzeniem jest, że woda jest płynem nieściśliwym. Nie jest to ścisła prawda, na co wskazuje jej skończony moduł objętościowy, ale wielkość kompresji jest bardzo mała. Na dnie Oceanu Spokojnego, na głębokości około 4000 metrów, ciśnienie wynosi około 4 x 107 N/m2. Nawet przy tak ogromnym ciśnieniu, ułamkowa kompresja objętościowa wynosi tylko około 1,8%, a w przypadku stali byłoby to tylko około 0,025%. Można więc powiedzieć, że woda jest prawie nieściśliwa. Referencje: Halliday, Resnick, Walker, 5th Ed. Extended.

John Hermance wskazuje, że dla dokładniejszego obrazu ściśliwości wody, temperatura powinna być brana pod uwagę. Powodem, dla którego kompresja 1,8% może być przytoczona powyżej jest to, że ściśliwość wody przy 20°C na powierzchni jest mniej więcej taka sama jak ściśliwość na głębokości 4000m, jeśli temperatura na dnie wynosi 5°C. Ściśliwość przy tym ciśnieniu i głębokości ma wyższą wartość ze względu na niższą temperaturę, niż miałaby przy 20°C. Wykorzystując szczegółowe dane dotyczące ściśliwości wody z kompilacji Fine & Millero, można zauważyć, że gdyby temperatura na dnie wynosiła 5°C, to ściśliwość wynosiłaby około 1,82%, ale gdyby wynosiła 20°C, to ściśliwość wynosiłaby około 1,66%.

Innym sposobem na stwierdzenie tego jest to, że jeśli temperatura dna wynosi 5°C, ściśliwość zmniejszyłaby się tylko o 0,9% od powierzchni do głębokości, podczas gdy gdyby temperatura dna wynosiła również 20°C, ściśliwość zmniejszyłaby się o około 9,6%.

Zainteresowanie Hermance’a tym szczegółowym obrazem ściśliwości wynika z jego zastosowania do ściśliwości wód gruntowych w podpowierzchni Ziemi. Ta woda gruntowa może mieć wyższą temperaturę, a zmiana ściśliwości ma duże znaczenie dla zrozumienia magazynowania i uwalniania wody gruntowej z pęknięć i porów w skale, jak również skutków hydroszczelinowania, trzęsień ziemi itp. w górnej skorupie ziemskiej.