Внутренние силы в поперечном сечении бруса

 

В недеформированном состоянии, т.е. при отсутствии внешних воздействий, связанность тела обусловлена силами взаимодействия атомов. Эти силы стремятся сохранить тело как единое целое, препятствуя любой попытке изменить взаимное расположение атомов и таким образом деформировать тело. Внешние воздействия, наоборот, стремятся вызвать деформирование тела путём изменения межатомных расстояний, взаимного расположения атомов и сил их взаимодействия. Однако если бы механика деформируемого тела ставила перед собой задачу изучать силы, действующие на каждый атом в отдельности, пользоваться её аппаратом было бы чрезвычайно трудно. Поэтому сопротивление материалов рассматривает поведение макрообъёмов материала, т.е. объёмов, состоящих из большого количества атомов и имеющих такие размеры, которые позволяют считать материал сплошным и однородным. Сплошное однородное тело не имеет в своём составе взаимодействующих частиц, и его целостность обеспечивают внутренние связи. Из теоретической механики известна так называемая аксиома связей, которая гласит: равновесие тела сохранится, если действие связей, закрепляющих тело в пространстве (рис.18,а), заменить их реакциями (рис.18,б).

		Рис.18
						Рис.19

 

Применяя эту аксиому к деформируемому телу, можно мысленно рассечь его произвольной плоскостью (рис.19,а), отделить одну часть от другой и взамен нарушенных связей приложить к каждой части силы, равные усилиям связей (рис.19,б). Такие силы называются внутренними. Они непрерывно распределяются по образовавшемуся сечению вследствие допущения о сплошности материала. Их находят посредством специального приёма – метода сечений, сущность которого заключается в следующем.

Пусть на тело, имеющее форму бруса, действует система взаимно уравновешенных внешних сил F₁,F₂,…,F_n (рис.20, а). Для определения

внутренних сил производят последовательно четыре операции: 1) рассекают брус в интересующем месте воображаемой плоскостью; 2) отбрасывают мысленно одну из образовавшихся частей (обычно ту, к которой приложено больше сил), в результате чего нарушается равновесие оставшейся части;

3) заменяют действие отброшенной части на оставшуюся внутренними силами f₁,f₂,…,f_k (рис. 20, 6); 4) составляют уравнения равновесия всех сил, приложенных к оставшейся части. При этом имеют в виду, что внутренние силы согласно правилам теоретической механики могут быть приведены к центру тяжести сечения и, таким образом, заменены главным вектором R и главным моментом М (рис. 20, в). Каждый из этих двух статических эквивалентов внутренних сил можно представить в виде трех составляющих по осям выбранных координат х, у, z. Направляя ось z по нормали к сечению и располагая оси х и у

в его плоскости (рис. 20, г), получаем следующие шесть составляющих:N, Q_x, Q_y, M_z,M_x, M_y,, где N продольная (нормальная) сила; Q_x, Q_y—поперечные силы вдоль осей x и y; M_z — крутящий момент; M_x, M_y — изгибающие моменты относительно осей х к у.

Эти компоненты главного вектора и главного момента называются внутренними силовыми факторами или усилиями. Для их определения имеется шесть уравнений равновесия:

ΣХ = 0; ΣY=0; ΣZ = 0;

Σ m_x= 0; Σm_y = 0; Σ m_z = 0. (10)

Кроме проекций на соответствующую ось (или моментов относительно оси) всех внешних сил, приложенных к оставшейся части, в каждое уравнение входит только одно неизвестное усилие. Это обстоятельство подтверждает целесообразность раздельного определения составляющих главного вектора и главного момента внутренних сил, поскольку отпадает необходимость в совместном решении нескольких уравнений.

Независимо от закона распределения по сечению внутренние силы всегда приводятся к стандартной системе усилий N, Q_x, .., My, алгебраические значения которых зависят только от абсциссы сечения z. Усилия связаны с конкретными видами деформации бруса, которые подробно рассматриваются в последующих главах. Если в поперечных сечениях возникает, например, только продольная сила N, а остальные усилия отсутствуют, то брус испытывает растяжение или сжатие (в зависимости от направления силы). При наличии только поперечной силы ( или Q_x, или Q_y, или обеих вместе) возникает сдвиг. Если не равен нулю только момент M_z, то брус работает на кручение.

При возникновении только изгибающего момента M_x или M_y брус испытывает чистый изгиб соответственно в плоскости zQ_y или zQ_x. В более общем случае к изгибающему моменту добавляется поперечная сила ( в первом случае Q_y, во втором – Q_x). Такой изгиб называется поперечным.

Из изложенного следует, что разложение главного вектора и главного момента внутренних сил на составляющие имеет не формальный, а чётко выраженный физический смысл.

 

Крутящий момент

 

Кручению подвергаются многие детали машин и сооружений: валы двигателей, станков и машин, оси локомотивов и моторных вагонов, элементы пространственных конструкций. Ограничимся рассмотрением вопросов, представляющих интерес с точки зрения расчёта строительных машин, а также подъёмно-транспортного и такелажного оборудования для монтажа строительных конструкций.

Брус испытывает кручение, если к нему прикладываются пары сил, лежащие в плоскостях, перпендикулярных его продольной оси. Моменты этих внешних пар обозначают m (рис.21, а). Под действием внешних моментов в поперечных сечениях закручиваемого бруса возникает единственная составляющая главного момента, которая называется, как отмечалось в п.1.5, крутящим моментом и обозначается M_z.. Остальные составляющие главного момента, а также все составляющие главного вектора равны нулю.

Крутящий момент определяют методом сечений. Брус рассекают воображаемой плоскостью, перпендикулярной его продольной оси, мысленно отбрасывают одну из образовавшихся частей, а ее действие на оставшуюся часть заменяют неизвестным моментом M_z (рис.21, б). После этого составляют единственное уравнение равновесия оставшейся части Σm_z=0, из которого и определяют значение М_z. Таким образом, крутящий момент в поперечном сечении бруса численно равен алгебраической сумме внешних моментов, приложенных одной стороны от рассматриваемого сечения.

Правило знаков. Условимся считать крутящий момент положительным, если внешний момент m направлен по ходу часовой стрелки при взгляде от сечения к любому концу бруса (рис.22).

 

	Рис.21

 

Рис.22

Вопрос о нахождении опасных сечений бруса, нагруженного несколькими внешними моментами, решается так же, как при растяжении (сжатии), т.е. в результате построения эпюры усилий, которое в данном случае представляет собой график изменения крутящего момента по длине бруса.