EGR 320L Lab Report Week 1 - Frank Jamison

12
Experiment #1 EGR 320L Frank Jamison September 11, 2013  Modulus of Elasticity of Materials Derived Through Tensile Testing and the Maximum Weight That Can Be Supported by iPod Earbud Wires Introduction  The purpose of this experiment is to see what maximum weight can be applied to a set of ipod earbuds befoe they break and to compare it to three metal samples (two aluminum and one steel) and two plastic samples (both polycarbonate plastic) to see how a composite of the two materials might stand up. By applying a measured amount of force to a sample of known dimensions, we can calculate the stress  (σ=F/A) [1]  which is the applied force divided by the crosssectional area of the sample,  and the strain (ε=δ/L) [2]  which is the elongation of the sample divided by its original length. From there we can use Hooke's Law to determine the modulus of elasticity of the material. Hooke's Law, stated in terms of stress and strain, states that the stress on a material is equal to its modulus of elasticity multiplied by the strain on the material while that material is not deformed beyond its ability to resume its original shape (σ = Eε) [2] .  Since stress is proportional to strain, we know that the elastic range will be represented by a straight line on the graph. The slope of the line created in the elastic range by plotting the stress as a function of the strain will be our experimental determination of the modulus of elasticity of the material (E=Δσ/Δε). Experimental Procedure  The samples of aluminum, steel, polycarbonate plastic, and the thick and thin wire portions of a pair of ipod earbuds was placed into an Admet tensile testing machine at National University.  For the metal tests, a dog bone shaped sample was used in order to concentrate the tensile force in a measurable area measuring 80 mm x 4 mm x 0.762 mm. The samples were then pulled at a constant rate while the applied force and elongation of the materials were measured. The plastic samples used were of a similar shape, but were about five times thicker. The measurements of the test area of the dog bone shaped samples were 80 mm x 4 mm x 0.381 mm. For the wire samples an 80 mm length of each part of the earbud set, both the thick wire section form the ipod jack to the y junction and the thin wire section from the y junction to the actual earbud, were placed into the Admet machine with a clamp holding each end.  The samples were subjected to an increasing tensile force until they broke. As the samples were being pulled apart, the elongation and the force being applied were measured. Data pairs of force and 

description

National University EGR 320L Week 1 Lab Report

Transcript of EGR 320L Lab Report Week 1 - Frank Jamison

Page 1: EGR 320L Lab Report Week 1 - Frank Jamison

Experiment #1 EGR 320L 

Frank Jamison September 11, 2013 

 

Modulus of Elasticity of Materials Derived Through Tensile Testing and the Maximum Weight 

That Can Be Supported by iPod Earbud Wires 

Introduction 

The purpose of this experiment is to see what maximum weight can be applied to a set of ipod earbuds 

befoe they break and to compare it to three metal samples (two aluminum and one steel) and two 

plastic samples (both polycarbonate plastic) to see how a composite of the two materials might stand 

up. 

By applying a measured amount of force to a sample of known dimensions, we can calculate the stress  

(σ=F/A)[1] which is the applied force divided by the cross‐sectional area of the sample,  and the strain 

(ε=δ/L)[2] which is the elongation of the sample divided by its original length. From there we can use 

Hooke's Law to determine the modulus of elasticity of the material. 

Hooke's Law, stated in terms of stress and strain, states that the stress on a material is equal to its 

modulus of elasticity multiplied by the strain on the material while that material is not deformed beyond 

its ability to resume its original shape (σ = Eε)[2].  

Since stress is proportional to strain, we know that the elastic range will be represented by a straight 

line on the graph. The slope of the line created in the elastic range by plotting the stress as a function of 

the strain will be our experimental determination of the modulus of elasticity of the material (E=Δσ/Δε). 

Experimental Procedure 

The samples of aluminum, steel, polycarbonate plastic, and the thick and thin wire portions of a pair of 

ipod earbuds was placed into an Admet tensile testing machine at National University.  

For the metal tests, a dog bone shaped sample was used in order to concentrate the tensile force in a 

measurable area measuring 80 mm x 4 mm x 0.762 mm. The samples were then pulled at a constant 

rate while the applied force and elongation of the materials were measured. 

The plastic samples used were of a similar shape, but were about five times thicker. The measurements 

of the test area of the dog bone shaped samples were 80 mm x 4 mm x 0.381 mm. 

For the wire samples an 80 mm length of each part of the earbud set, both the thick wire section form 

the ipod jack to the y junction and the thin wire section from the y junction to the actual earbud, were 

placed into the Admet machine with a clamp holding each end.  

The samples were subjected to an increasing tensile force until they broke. As the samples were being 

pulled apart, the elongation and the force being applied were measured. Data pairs of force and 

Page 2: EGR 320L Lab Report Week 1 - Frank Jamison

elongation (25 pairs for steel and plastic and 20 pairs for aluminum and the wires) were then used to 

calculate the stress and strain on the samples. A stress/strain graph was then used to identify the elastic 

range of the material, and least squares linear regression was used to determine the slope of the line 

that best fit the data. The slope of this best fit line was the experimental determination of the Young's 

Modulus for each material.   

Data 

The following tables and graphs show the raw data collected for the experiments. The first four tables 

show the measured dimensions of the samples used in the experiment. The additional tables and graphs 

are the readings from the Admet equipment used in the tensile testing of each sample. Tables are 

broken down into groups of metals, plastics, and wires, and each group of samples tested are plotted on 

a single graph. 

Aluminum and Steel Sample Dimensions    Polycarbonate Plastic Sample Dimensions 

  Length:  80 mm      Length:  80 mm 

  Width:  4.0 mm      Width:  4.0 mm 

  Thickness:  0.0762 mm      Thickness:  0.381 mm 

 

Thick Wire Sample Dimensions    Thin Wire Sample Dimensions 

  Length:  80 mm      Length:  80 mm 

  Diameter:  2.0 mm      Diameter:  1.5 mm 

 

Aluminum Sample 1 Data 

  Elongation (mm) Force (N)    Elongation (mm)  Force (N) 

  0.00  0.00    0.70  50.29 

  0.26  5.22    0.80  51.50 

  0.29  8.89    0.84  52.56 

  0.30  17.48    0.90  52.83 

  0.39  30.95    0.95  53.37 

  0.41  34.94    1.02  53.69 

  0.45  37.61    1.07  53.99 

  0.50  41.00    1.14  54.10 

  0.56  45.93    1.19  54.28 

  0.62  47.61    1.26  54.35 

 

       

Page 3: EGR 320L Lab Report Week 1 - Frank Jamison

 Aluminum Sample 2 Data 

  Elongation (mm) Force (N)    Elongation (mm)  Force (N) 

  0.00  0.00    0.47  48.66 

  0.03  5.85    0.60  50.75 

  0.09  18.50    0.70  51.46 

  0.11  19.57    0.85  52.26 

  0.15  28.46    0.97  52.45 

  0.17  32.06    1.04  52.66 

  0.20  33.79    1.21  52.84 

  0.24  39.29    1.32  52.77 

  0.30  43.56    1.56  52.72 

  0.36  45.09    1.65  52.82 

 

Steel Sample Data 

  Elongation (mm) Force (N)    Elongation (mm)  Force (N) 

  0.00  0.00    0.42  166.66 

  0.06  23.77    0.44  172.75 

  0.09  34.28    0.51  193.32 

  0.13  50.47    0.53  197.25 

  0.15  60.09    0.60  211.70 

  0.17  70.15    0.70  226.98 

  0.21  87.27    0.76  229.81 

  0.23  95.39    0.93  238.16 

  0.25  104.31    1.15  240.17 

  0.29  119.68    1.32  240.38 

  0.33  133.86    1.69  240.61 

  0.36  145.59    1.91  240.00 

  0.38  152.06       

 

 

Page 4: EGR 320L Lab Report Week 1 - Frank Jamison

 

 

Polycarbonate Plastic Sample 1 Data 

  Elongation (mm) Force (N)    Elongation (mm)  Force (N) 

  0.00  0.00    7.41  85.52 

  0.59  23.86    10.03  72.90 

  0.84  32.93    14.98  75.19 

  1.06  41.72    20.13  74.44 

  1.18  45.55    25.34  74.54 

  1.40  51.64    30.30  74.60 

  1.72  61.17    35.16  76.86 

  1.92  64.94    40.21  78.95 

  2.19  69.92    45.24  77.93 

  2.56  75.70    50.44  76.42 

  3.07  81.85    54.98  76.55 

  4.09  87.55    56.22  76.26 

  5.27  89.26       

 

     

0.00

50.00

100.00

150.00

200.00

250.00

300.00

0.00 0.50 1.00 1.50 2.00 2.50

Tensile Force F (N)

Elongation δ (mm)

Aluminum and Steel Tensile Tests

Aluminum Sample 1

Aluminum Sample 2

Steel Sample

Page 5: EGR 320L Lab Report Week 1 - Frank Jamison

Polycarbonate Plastic Sample 2 Data 

  Elongation (mm) Force (N)    Elongation (mm)  Force (N) 

  0.504  14.37    6.696  88.11 

  0.613  20.42    8.053  83.78 

  1.045  37.04    9.169  74.91 

  1.183  42.69    11.183  74.77 

  1.377  48.77    13.204  73.70 

  1.501  53.12    15.348  74.35 

  1.713  58.30    18.961  75.21 

  1.945  64.17    23.608  75.69 

  2.115  67.03    27.449  75.64 

  2.262  68.94    34.725  75.30 

  2.543  74.07    40.160  76.54 

  3.128  81.70    45.370  76.75 

  3.678  85.76    50.282  77.30 

  4.575  89.00    55.106  77.77 

  5.609  89.48    56.324  78.02 

 

 

0.00

10.00

20.00

30.00

40.00

50.00

60.00

70.00

80.00

90.00

100.00

0.00 10.00 20.00 30.00 40.00 50.00 60.00

Tensile Force F (N)

Elongation δ (mm)

Polycarbonate Plastic Tensile Tests

Sample 1

Sample 2

Page 6: EGR 320L Lab Report Week 1 - Frank Jamison

Thick Wire Sample Data 

  Elongation (mm) Force (N)    Elongation (mm)  Force (N) 

  0.00  0.00    1.34  103.31 

  0.44  23.31    1.63  132.93 

  0.53  32.85    1.78  147.10 

  0.62  39.56    1.87  149.99 

  0.75  52.88    2.04  174.16 

  0.85  61.84    2.22  184.70 

  0.95  69.13    2.38  200.66 

  1.04  80.33    2.54  215.88 

  1.15  89.47    2.69  220.66 

  1.27  101.42    2.82  241.21 

 

Thin Wire Sample Data 

  Elongation (mm) Force (N)    Elongation (mm)  Force (N) 

  0.00  0.00    1.33  60.45 

  0.47  13.90    1.42  62.80 

  0.55  16.11    1.48  67.68 

  0.63  20.53    1.72  79.02 

  0.71  25.70    1.93  86.25 

  0.83  33.13    2.03  91.91 

  0.94  39.61    2.12  95.11 

  1.04  44.74    2.20  99.55 

  1.12  47.78    2.37  106.29 

  1.19  49.84    2.63  116.94 

 

0.00

50.00

100.00

150.00

200.00

250.00

300.00

0.00 0.50 1.00 1.50 2.00 2.50 3.00

Tensile Force F (N)

Elongation δ (mm)

Headphone Wire Tensile Tests

Thick Wire

Thin Wire

Page 7: EGR 320L Lab Report Week 1 - Frank Jamison

Results & Discussion 

The following tables contain the cross‐sectional area calculations of each type of sample along with the 

dimensions they were derived from. The cross sectional areas of the metal and plastic samples are 

calculated by multiplying width by thickness (A = wt), and the cross sectional area of the wires is 

calculated by multiplying pi by the radius squared (A = πr2). 

Aluminum and Steel Sample Dimensions    Polycarbonate Plastic Sample Dimensions 

  Width:  4.0 x 10‐3 m      Width:  4.0 x 10‐3 m 

  Thickness:  7.62 x 10‐5 m      Thickness:  3.81 x 10‐4 m 

  Area:  3.05 x 10‐7 m2      Area:  1.52 x 10‐6 m2 

 

Thick Wire Sample Dimensions    Thin Wire Sample Dimensions 

  Radius:  1.0 x 10‐3 m      Diameter:  0.75 x 10‐3 m 

  Area:  3.14 x 10‐6 m2      Area:  1.77 x 10‐6 m2 

 

As mentioned above, stress is calculated by dividing the applied force by the cross‐sectional area (σ=F/A), and strain is calculated by dividing the elongation by the original length of the sample (ε=δ/L).  The following section of data tables will show the calculated stress and strain of the metal samples at each data point and then a graph of all three metal samples is plotted on a single stress/strain graph.   Aluminum Sample 1 Stress and Strain Calculations 

  Strain (mm/mm) Stress (MPa)    Strain (mm/mm)  Stress (MPa) 

  0.00  0.00    8.75 x 10‐3  165 

  3.25 x 10‐3  17.1    10.0 x 10‐3  169 

  3.63 x 10‐3  29.2    10.5 x 10‐3  172 

  3.75 x 10‐3  57.3    11.3 x 10‐3  173 

  4.88 x 10‐3  102    11.9 x 10‐3  175 

  5.13 x 10‐3  115    12.8 x 10‐3  176 

  5.63 x 10‐3  123    13.4 x 10‐3  177 

  6.25 x 10‐3  135    14.3 x 10‐3  177 

  7.00 x 10‐3  151    14.9 x 10‐3  178 

  7.75 x 10‐3  156    15.8 x 10‐3  178 

 

        

Page 8: EGR 320L Lab Report Week 1 - Frank Jamison

Aluminum Sample 2 Stress and Strain Calculations 

  Strain (mm/mm) Stress (MPa)    Strain (mm/mm)  Stress (MPa) 

  0.00  0.00    5.88 x 10‐3  160 

  0.38 x 10‐3  19.2    7.50 x 10‐3  167 

  1.13 x 10‐3  60.7    8.75 x 10‐3  169 

  1.38 x 10‐3  64.2    10.6 x 10‐3  171 

  1.88 x 10‐3  93.4    12.1x 10‐3  172 

  2.13 x 10‐3  105    13.0 x 10‐3  173 

  2.50 x 10‐3  111    15.1 x 10‐3  173 

  3.00 x 10‐3  129    16.5 x 10‐3  173 

  3.75 x 10‐3  143    19.5 x 10‐3  173 

  4.50 x 10‐3  148    20.6 x 10‐3  173 

 

Steel Sample Stress and Strain Calculations 

  Strain (mm/mm) Stress (MPa)    Strain (mm/mm)  Stress (MPa) 

  0.00  0.00    5.25 x 10‐3  547 

  0.75 x 10‐3  78.0    5.50 x 10‐3  567 

  1.13 x 10‐3  112    6.38 x 10‐3  634 

  1.63 x 10‐3  166    6.63 x 10‐3  647 

  1.88 x 10‐3  197    7.50 x 10‐3  695 

  2.13 x 10‐3  230    8.75 x 10‐3  745 

  2.63 x 10‐3  286    9.50 x 10‐3  754 

  2.88 x 10‐3  313    11.6 x 10‐3  781 

  3.13 x 10‐3  342    14.4 x 10‐3  788 

  3.63 x 10‐3  393    16.5 x 10‐3  789 

  4.13 x 10‐3  439    21.1 x 10‐3  789 

  4.50 x 10‐3  478    23.9 x 10‐3  787 

  4.75 x 10‐3  499       

 

 

Page 9: EGR 320L Lab Report Week 1 - Frank Jamison

 

 

Looking at the stress/strain graph for the first sample of aluminum, we see that there is a large 

difference between the slope of thee line from the zero point to the first data point and the slope of the 

line from the first data point forward. I believe this to be a gross error where the sample wasn't seated 

properly in the machine. Data points 1 through 6 form a relatively straight line and these were the data 

points used to calculate Young's Modulus for this sample. Using least squares linear regression, the 

slope of the line, and thus the Young's modulus, is determined to be 46 GPa. The coefficient of 

determination for this line is 0.961, and so it's a pretty good fit. Comparing our derived value to the 

theoretical modulus of elasticity for aluminum, which is 70GPa[3], we can note our calculation is off by 

34%. This is due, in part, to what I believe is the gross error stated above, and possibly a systematic 

calibration error along with a rounding error. As you will see in the later samples, our derived modulus' 

are consistently about half of the theoretical modulus'.  

Looking at the stress/strain graph for the second aluminum sample, we see that it appears to be seated 

correctly in the machine as there is no large slope discrepancy at the first data point. The first 9 data 

points are used to calculate our least squares line and the slope indicates that the Young's Modulus for 

this sample is 39 GPa. The coefficient of determination for this calculation is 0.967. Our experimental 

modulus differs from the theoretical modulus by 44%, and as stated above, we assume calibration and 

rounding errors.  

Looking at the stress/strain graph for the steel sample, we see a definite linear relationship through the 

first 18 data points selected. The experimental modulus of elasticity of the sample is calculated to be 97 

0.0

100.0

200.0

300.0

400.0

500.0

600.0

700.0

800.0

900.0

0.0000 0.0050 0.0100 0.0150 0.0200 0.0250 0.0300

Stress σ(M

Pa)

Strain ε (mm / mm)

Stress / Strain of Aluminum and Steel

Aluminum 1

Aluminum 2

Steel

Page 10: EGR 320L Lab Report Week 1 - Frank Jamison

GPa and the coefficient of determination for the calculation is 0.991. The theoretical modulus of 

elasticity of steel is 200 GPa[4] and thus our calculation is off by 51%. As we can clearly see, steel is much 

stronger than aluminum while being considerably less elastic in nature. 

Since the formulas for calculating stress and strain on samples does not differ, only the stress/strain 

graphs are shown for the polycarbonate plastic and headphone wire samples.  

 

As we can see from the stress/strain graph above, the two polycarbonate plastic samples produced 

nearly identical graphs. In the first sample, I used the first 10 data points to calculate a Young's Modulus 

of 1.5 GPa. The second sample also required the first 10 data points to make the Young's Modulus 

calculation, and our derived value there was 1.4 GPa. The coefficients of determination for each sample 

are 0.969 and 0.951 respectively. The theoretical modulus of elasticity of polycarbonate plastic is 2.0 ‐ 

2.4 GPa[5] and thus our calculations are off by between 25% and 42%. As before, I suspect calibration 

and rounding errors as the cause for this discrepancy, along with the fact that these samples are for 

educational use and may not be as purer as the samples used to derive the theoretical data. 

 

 

 

 

 

0.0

10.0

20.0

30.0

40.0

50.0

60.0

70.0

0.000 0.100 0.200 0.300 0.400 0.500 0.600 0.700 0.800

Stress, σ

(MPa)

Strain, ε (mm/mm)

Polycarbonate Plastic Stress / Strain Chart

Plastic Sample 1

Plastic Sample 2

Page 11: EGR 320L Lab Report Week 1 - Frank Jamison

 

Looking at the stress/strain graphs for the headphone wires, we see that they are very similar even 

though they have different diameters. There is a slight variation in the slope of the graphs between the 

zero point and the first data point than from the slope of the rest of the graph for each sample. I think 

variations of this type are cause by the sample not being completely vertical in the machine.  

Since the initial slopes are slightly off from the rest of the graphs, the origin points were omitted from 

the modulus calculations, which were 2.3 GPa and 2.2 GPa for the thick and thin wires respectively. The 

coefficient of determination for the thick wire was .999 and the coefficient of determination for the thin 

wire was 0.996. The fact that the stress/strain slopes remained constant through all the data points, the 

hypothesis is that the wires remain elastic until they break.  

It is noted that most electronics use copper wiring as the conductor for the electric signal. And the 

Young's modulus for copper is between 110 GPa and 128 GPa[6]. It is also noted that the material around 

the copper wiring in many cases is PVC[7]. The modulus of elasticity for PVC is 490,000 psi[8], or roughly 

3.4 GPa. Given this, our experimental Young's modulus is off by roughly 35% from the theoretical value. 

It appears that the modulus of elasticity, at least in the experiment, is determined by the wire's 

insulation. I believe this to be because the PVC is stretching over the interior copper wiring, and so while 

the outside of the wire may have an elongation of 2.5 mm, we have no way of knowing what the actual 

elongation of the copper wire is. Also, the interior copper wiring has a smaller cross‐sectional area and 

so the modulus of elasticity should be higher. 

 

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

0.000 0.005 0.010 0.015 0.020 0.025 0.030 0.035 0.040

Stress σ(M

Pa)

Strain ε (mm/mm)

Headphone Wire Stress / Strain Chart

Thick Wire

Thin Wire

Page 12: EGR 320L Lab Report Week 1 - Frank Jamison

Conclusion 

So what's the answer to our initial question? How much weight can be supported be the earbuds of your 

average ipod? if the force were being applied from the outside of the wire, the answer is simple. It took 

241 N of force to break the thick wire and 117 N of force to break the thin wire. If we assume a 45 

degree angle of the thin wire at the y junction, each thin wire bears half the force of the thick wire. 

Taking the smaller of the force used to break the thick wire or twice the force used to break the thin 

wire, we divide 234 N of force by the gravitational constant 9.81 m/s2 to get a weight of approximately 

23.9 kilograms, or 52.7 lbf. 

In reality, it's hard to say. the jack is connected directly to the interior copper wires, the jack is usually 

reinforced where it connects to the insulation, the angle at which the thin wires rest on the head varies 

from person to person, there are just too many unknown variables to know for sure. 

From these tests we've seen that metals have relatively low breaking points compared to plastics, and 

that they are considerably less elastic. As a matter of fact, the plastics and PVS wire insulation did not 

break during our tests, either by reaching the maximum distance the machine could pull them, of having 

the interior wire snap. 

We also noted that our numbers were 25% ‐ 50% off from theoretical values. One of the things that was 

not done prior to testing the samples was a calibration test. Some of the graphs indicated that samples 

weren't entered into the machine precisely vertically. And there are the inherent rounding errors that 

come from doing experimental calculations with limited measuring equipment. 

To be really thorough, I would like to see the entire wire tested, with all the reinforcements intact, 

rather than just a small sample of the wire gripped from outside the insulation. Finding out the diameter 

of the inside copper wiring would also be key to determining how much weight could be sustained. 

In short, we know that an unreinforced wire gripped from the outside can bear 52.7 lbf and nothing 

more. 

References 

1 Introduction to Engineering Analysis, page 123. 2 Introduction to Engineering Analysis, page 124. 3 Wikipedia entry for aluminum (http://en.wikipedia.org/wiki/Aluminium). 4 Wikipedia entry for Young's Modulus (http://en.wikipedia.org/wiki/Young%27s_modulus). 5 Wikipedia entry for polycarbonate (http://en.wikipedia.org/wiki/Polycarbonate). 6 Wikipedia entry for copper (http://en.wikipedia.org/wiki/Copper). 7 Alibaba.com (http://www.alibaba.com/showroom/high‐class‐earphone‐cheap‐mini‐headphones‐pvc‐

cable‐earbuds.html). 8 Wikipedia entry for polyvinyl Chloride (http://en.wikipedia.org/wiki/Polyvinyl_chloride).