Находящемся в равновесии под действием .
Рассмотрим идеально упругий призматический стержень прямоугольного поперечного сечения (рис. 1.2, а).
Выделим внутри стержня какие-либо две частицы K и L, расположенные на бесконечно малом расстоянии друг от друга. Для большей наглядности предположим, что между этими частицами имеется некоторая пружинка, удерживающая их на определенном расстоянии друг от друга. Пусть натяжение пружинки равно нулю.
Приложим теперь к стержню растягивающую силу (рис. 1.2, б ). Пусть в результате деформации стержня, частица K перейдет в положение , а частица L – в положение . Соединяющая эти частицы пружинка при этом растянется. После снятия внешней нагрузки частицы вернутся в первоначальное положение K и L благодаря усилию, которое возникло в пружинке. Сила, которая возникла между частицами (в пружинке) в результате деформации идеально упругого стержня, называются силой или внутренней силой. Она может быть найдена методом сечений .
Этапы метода сечений
Метод сечений состоит из четырех последовательных этапов: разрезать, отбросить, заменить, уравновесить .
Разрежем стержень, находящийся в равновесии под действием некоторой системы сил (рис. 1.3, а) на две части плоскостью, перпендикулярной к его оси z.
Отбросим одну из частей стержня и рассмотрим оставленную часть.
Поскольку мы как бы разрезали бесчисленное множество пружинок, соединявших бесконечно близкие частицы тела, разделенного теперь на две части, в каждой точке поперечного сечения стержня необходимо приложить силы упругости, которые при деформации тела возникли между этими частицами. Иными словами, заменим действие отброшенной части (рис. 1.3, б).
Внутренние силы в методе сечений
Полученную бесконечную систему сил по правилам теоретической механики можно привести к центру тяжести поперечного сечения. В результате получим главный вектор R и главный момент M (рис. 1.3, в).Разложим главный вектор и главный момент на составляющие по осям x, y (главные центральные оси) и z.
Получим 6 внутренних силовых факторов
, возникающих в поперечном сечении стержня при его деформировании: три силы (рис. 1.3, г) и три момента 
(рис. 1.3, д).
Сила N - продольная сила
– поперечные силамы,
момент относительно оси z () – крутящий момент
моменты относительно осей x, y () – изгибающие моменты.
Запишем для оставленной части тела уравнения равновесия (уравновесим ):
Из уравнений определяются внутренние усилия, возникающие в рассматриваемом поперечном сечении стержня.
Для того чтобы судить о прочности исследуемого тела, находящегося в равновесии под действием внешних сил, прежде всего необходимо уметь определить вызванные ими внутренние усилия.
Внешние силы деформируют тело; внутренние усилия сопротивляясь этой деформации, стремятся сохранить первоначальную форму и объем тела.
Обнаружение внутренних усилий, их вычисление составляют первую и основную задачу сопротивления материалов, которая решается с помощью метода сечений, сущность этого метода заключается в следующем:
- - первая операция. Рассекаем (мысленно) стержень по сечению в котором следует определить величину внутренних усилий.
- - вторая операция. Отбрасываем какую-либо часть стержня, например, часть 1. Обычно отбрасывают ту часть, к которой приложено большее число сил.
- - третья операция. Заменяем силы, действующие на оставшуюся часть главным вектором и главным моментом, совместив центр приведения О с центром тяжести (ц. т.) сечения (на рис.1,б М не показан).
- - четвертая операция. Уравновешиваем оставшуюся часть, так как до рассечения она находилась в равновесии. Для этого в точке О прикладываем силу R и момент M, равные и противоположно направленные главному вектору и главному моменту. Усилия и и являются теми внутренними усилиями, которые передавались со стороны отброшенной на оставшуюся часть стержня.
- - Метод сечений является лишь первым шагом по пути исследования внутренних сил, так как с его помощью не удается выяснить закон распределения внутренних сил в сечении.
Составляя уравнения равновесия для отсечённой части тела, можно получить проекции на координатные оси как главного вектора, так и главного момента.
При расчёте брусьев начало координат помещают в центре тяжести рассматриваемого поперечного сечения его. Ось "Z" в прямом брусе совмещают с его продольной осью, в кривом - направляют по касательной к его оси в точке, где помещено начало координат.
Оси "X" и "Y" совмещают с направлениями главных центральных осей инерции рассматриваемого сечения. Проекции на координатные оси главного вектора и главного момента внутренних сил в брусе обозначают соответственно: , N, M x , M y , и называют внутренними силовыми факторами (внутренними усилиями).
Представляют собой поперечные силы в направлении оси "X" или "Y" (Н)
N - нормальную (продольную) силу (н.).
M x , M y - изгибающие моменты относительно осей соответственно "X" или "Y" (нм)
M z - крутящий момент (нм).
Рассмотрев отсечённую часть бруса (например правую) (рис.1,б) и составив на основании метода сечений уравнения равновесия, можно сказать следующее: нормальная сила N есть сила внутренняя, численно равная сумма проекции на продольную ось бруса всех внешних сил, расположенных по одну сторону от рассматриваемого сечения.
- -поперечная сила в направлении оси "X" численно равна сумме проекций на ось "X" всех внешних сил, расположенных по одну сторону от рассматриваемого сечения.
- - поперечная сила в направлении оси "Y" численно равна сумме проекций на ось "Y" всех внешних сил, расположенных по одну сторону от рассматриваемого сечения
M x - изгибающий момент относительно оси "X" численно равна сумме моментов всех внешних сил, расположенных по одну сторону от этого сечения.
M Y - изгибающий момент относительно оси "Y" численно равна сумме моментов всех внешних сил, расположенных по одну сторону от этого сечения.
M z - изгибающий момент относительно оси "Z" численно равна сумме моментов всех внешних сил, расположенных по одну сторону от этого сечения.
Итак, в общем случае нагружения бруса внутренние силы в его поперечных сечениях приводятся к указанным шести внутренним силовым факторам.
Виды нагрузок, типы опор и балок.
Всякий стержень, работающий на изгиб, называется балкой.
Активные силы полагаются известными и сводятся к сосредоточенным силам F(H), парам сил m (нм) и распределенным по длине балки нагрузкам q (н/м). Величина и направление реакций R 1, R 2 определяются из условия равновесия балки и вида её опорных закреплений.
Балки могут иметь следующие три типа опор:
- 1. Жёсткое защемление или заделка. Конец балки лишён трёх степеней свободы. Он не может перемещаться ни в вертикальном, ни в горизонтальном направлениях и не имеет возможности поворачиваться. Следовательно, в этой опоре возникают три реакции: две силы R 1 и R 2 , препятствующие линейным смещениям конца балки и один реактивный момент M R , препятствующий повороту.
- 2. Шарнирно-неподвижная опора.
Такая опора лишает балку двух степеней свободы: вертикального и горизонтального смещений, но не препятствует вращению балки вокруг шарнира. Следовательно, в данной опоре возникают две составляющие опорной реакции R 1 и R 2 .
3. Шарнирно-подвижная опора - это наименее жёсткое опирание, она лишает конец балки только одной степени свободы - вертикального линейного перемещения. В шарнирно-подвижной опоре возникает одна реакция.
Следует обратить внимание на то, что данная опора препятствует перемещению конца балки как вниз, так и вверх. Необходимо заметить, что на практике плоскость катания подвижной опоры всегда делают параллельной оси балки. Тогда реакция подвижной опоры должна иметь направление перпендикулярное к оси балки.
Применяя разные виды опор, получаем различные типы балок. Так как балка в плоскости имеет три степени свободы, то для неподвижного закрепления балку необходимо лишить всех трёх степеней свободы.
Первый тип балки - консоль. Консоль имеет на одном конце заделку, отнимающую все три степени свободы, а другой её конец свободный. В заделке возникают: реактивный момент, вертикальная реакция и при наличии горизонтальной или наклонной нагрузки, горизонтальная реакция. Консоль применяется в технике в виде кронштейнов, мачт и т.д.
Второй тип балки - двухопорная балка. Опирание балки в двух точках осуществляется применением одной подвижной и одной неподвижной шарнирных опор, в совокупности отнимающих у балки все три степени свободы. В подвижной опоре возникает только вертикальная реакция, в неподвижной - вертикальная и горизонтальная (при наличии горизонтальных составляющих нагрузок).
Расстояния между опорами называется пролётом. Если одна из опор смещена на некоторое расстояние, то балка называется одноконсольной. Балки перечисляемых типов имеют минимально необходимое число опор, в связи с этим они статически определимы, т.е. их опорные реакции могут быть найдены из уравнения равновесия.
Постановка дополнительных опор делает балку статически неопределимой: расчёт таких балок возможен лишь с учётом их деформаций.
Внутри любого материала имеются внутренние межатомные силы, наличие которых определяет способность тела воспринимать действующие на него внешние силы, сопротивляться разрушению, изменению формы и размеров. Приложение к телу внешней нагрузки вызывает изменение (увеличение или уменьшение) внутренних сил, т. е. появление дополнительных внутренних сил.
В сопротивлении материалов изучаются дополнительные внутренние силы. Поэтому под внутренними силами (или внутренними усилиями) в сопротивлении материалов понимают силы взаимодействия между отдельными элементами сооружения или между отдельными частями элемента, возникающие под действием внешних сил. Это понятие равносильно допущению об отсутствии в теле внутренних сил до приложения к нему внешних нагрузок. Поэтому иногда считают, что в сопротивлении материалов принимается гипотеза о ненапряженном начальном состоянии тела.
Рассмотрим элемент конструкции, на который действует система внешних сил, находящихся в равновесии (рис. 4.1, а). Напоминаем, что в число внешних сил входят как заданные активные силы, так и реакции связей. Мысленно рассечем элемент плоскостью . Силы воздействия отсеченной правой части элемента на его левую часть (на правый ее торец) являются по отношению к ней внешними; для всего же элемента в целом они являются внутренними силами. Этим силам (на основании известного закона механики: действие равно противодействию) равны по величине и противоположны по направлению внутренние силы воздействия левой части элемента на правую.
В общем случае пространственной задачи взаимодействие между левой и правой частями элемента можно представить некоторой силой R, приложенной в произвольно выбранной точке О сечения , и моментом М относительно некоторой оси, проходящей через эту точку (рис. 4.1, б, в).
Сила R является главным вектором, а момент М-главным моментом системы внутренних сил, действующих по проведенному сечению.
Определение внутренних сил, возникающих в брусе, обычно производится для сечений, перпендикулярных к его продольной оси, т. е. для поперечных сечений бруса. Точка О принимается расположенной на оси бруса, т. е. совпадающей с центром тяжести его поперечного сечения.
Главный вектор R раскладывается на две составляющие силы: силу N, направленную вдоль оси бруса и называемую продольной силой, и силу Т, действующую в плоскости поперечного сечения и называемую поперечной силой (рис. 5.1, а). Момент М раскладывается на два составляющих момента: момент действующий в плоскости поперечного сечения и называемый крутящим моментом, и момент действующий в плоскости, перпендикулярной к поперечному сечению, и называемый изгибающим моментом (рис. 5.1, б).
Каждому из внутренних усилий соответствует определенный вид Рис. 5.1 деформации бруса. Продольной силе N соответствует растяжение (или сжатие), поперечной силе Т - сдвиг, крутящему моменту - кручение, а изгибающему моменту - изгиб. Различные их сочетания, например сжатие с изгибом, изгиб с кручением и т. п., представляют собой сложные сопротивления.
Внутренние усилия N и характеризуются каждое одним параметром-величиной усилия. Поперечная сила Т характеризуется двумя параметрами, например, величиной этой силы и ее направлением (в плоскости поперечного сечения бруса). Более удобно силу Т определять через составляющие ее поперечные силы параллельные двум взаимно перпендикулярным осям, расположенным в плоскости поперечного сечения бруса (рис. 5.1, а). Изгибающий момент Мн также характеризуется двумя параметрами; его обычно раскладывают на два составляющих изгибающих момента относительно осей z и у.
Таким образом, взаимодействие любых двух частей конструкции характеризуется тремя составляющими главного вектора и тремя составляющими главного момента внутренних сил, возникающих в рассматриваемом поперечном сечении. Эти составляющие называются внутренними силовыми факторами, или внутренними усилиями.
Рассмотрим общий прием определения внутренних усилий, называемый методом сечений.
Рассечем стержень (рис. 6.1, а) плоскостью совпадающей с поперечным сечением стержня. В полученном поперечном сечении в общем случае действует шесть внутренних усилий: (рис. 6.1, б, в).
Правая часть стержня (рис. 6.1, в) находится в равновесии; значит, внешние силы приложенные к ней, уравновешиваются внутренними усилиями, действующими на правую часть. Но те же внешние силы уравновешиваются и нагрузками, приложенными к левой части стержня (силами ), так как весь стержень в целом (рис. 6.1, а) также находится в равновесии. Следовательно, нагрузки, приложенные к левой части стержня (силы ), и внутренние усилия, действующие на правую часть, статически эквивалентны друг другу.
Таким образом, проекция на какую-либо ось внутренних усилий в сеченииу действующих со стороны левой части стержня на правую, равна проекции на эту ось всех внешних сил, приложенных к левой части. Аналогично, момент относительно какой-либо оси внутренних усилий в сечении, действующих со стороны левой части стержня на правую, равен моменту всех внешних сил, приложенных к левой части относительно этой оси.
Из шести внутренних усилий, действующих в поперечном сечении стержня, проекции пяти усилий на каждую из осей равны нулю. Аналогично равны нулю и моменты пяти внутренних усилий относительно каждой из указанных осей. Это позволяет легко определять внутренние усилия в стержне, проектируя на ось х или у, или z все внутренние усилия, действующие на правую часть стержня (рис. 6.1, в), и все внешние силы, приложенные к левой части (рис. 6.1, б), или определяя их моменты относительно одной из указанных осей.
Определим, например, величину продольной силы N в поперечном сечении показанном на рис. 6.1, а. Как следует из рис. 6.1, в, проекция на ось всех внутренних усилий, действующих на правую часть стержня, равна если для проекции положительным считать направление справа налево. Поэтому сила N равна сумме проекций на ось всех внешних сил, действующих на левую часть стержня (т. е. сил - рис. 6.1, б). Аналогично значение, например, крутящего момента в поперечном сечении стержня равно сумме моментов сил (рис. 6.1, б) относительно оси если положительными считать моменты, направленные по часовой стрелке (при взгляде с левого конца оси х на правый), и т. д.
Внутренние силы, действующие в сечении со стороны левой части на правую, можно определить по внешним силам, приложенным не к левой, а к правой части. В этом случае полученные направления проекций внешних сил на выбранные оси и моментов относительно этих осей необходимо изменять на противоположные.
Внутренние усилия в каком-либо сечении обычно определяют по внешним силам, приложенным к той части конструкции (расположенной по одну сторону от рассматриваемого сечения), на которую действует меньше сил.
В теоретической механике, в разделе статики, широко применяется замена системы сил их равнодействующей и перенос силы по линии ее действия. В сопротивлении материалов это не всегда возможно, так как может приводить к неправильным результатам. Например, совершенно очевидно, что при определении внутренних сил в сечении (рис. 6.1, а) замена нескольких сил, приложенных к телу по разные стороны от этого сечения, их равнодействующей недопустима, так как она приведет к изменению величин внутренних сил. По этой же причине недопустим перенос какой-либо силы, приложенной левее сечения по линии ее действия, в точку, расположенную правее этого сечения.
Внутренние силы возникают между отдельными элементами сооружения и между отдельными частями элемента под действием внешних сил. Определение внутренних сил производят методом сечений. Сущность его заключается в том, что тело, находящееся в равновесии (рис.2.1,а ), рассекают мысленно на две части (рис.2.1,б ), отбрасывают одну из частей, заменяя влияние отброшенной части внутренними силами, и составляют уравнения равновесия для оставшейся части, на которую действуют приложенные к ней внешние силы и подлежащие определению внутренние силы, распределенные по сечению.
Обычно плоскость сечения проводится перпендикулярно касательной к оси бруса. Систему внутренних сил можно привести к одной силе R и к одной паре М .Выберем в качестве центра приведения сил центр тяжести сечения 0 и
направим ось Оx правой прямоугольной системы координат перпендикулярно сечению в сторону внешней нормали. Разложим векторы R и M на составляющие (рис. 2.1,в ). Силу N , направленную по касательной к оси стержня, называют продольной силой. Силы Q y и Q z , направленные по нормали к оси стержня, называют поперечными силами. Момент Т относительно оси х называют крутящим. Моменты М y и M z носят название изгибающих. Эти шесть внутренних усилий могут быть найдены из шести уравнений равновесия тела в пространстве, составленных для рассматриваемой части бруса. Уравнения составляются применительно к недеформированному телу, если наблюдаются малые изменения его размеров и формы. Принятие такого допущения значительно упрощает задачу, уравнения становятся линейными, что позволяет пользоваться принципом независимости действия сил (принципом наложения). Последний гласит, что результат совместного воздействия на тело системы сил равен сумме частных результатов воздействия каждой силы в отдельности.
Каждому из внутренних усилий соответствует свой вид деформирования тела: N − растяжение (сжатие), Q y и Q z − сдвиг, Т − кручение, М у и М z − изгиб. Эти деформации, как правило, возникают в различных сочетаниях. Продольная сила считается положительной, если ее направление совпадает с направлением внешней нормали к сечению. Крутящий момент принимается положительным, если при взгляде в торец отсеченной части бруса со стороны его внешней нормали он представляется направленным по ходу часовой стрелки. Изгибающий момент считается положительным, когда на левом торцe правой части бруса он направлен по ходу часовой стрелки, а на правом торце левой части − против хода часовой стрелки. Поперечная сила положительна, если она стремится вращать отсеченную часть бруса (на которую она действует) по ходу часовой стрелки относительно любой точки на внутренней нормали к сечению. Положительные знаки усилий показаны на рис.2.2.
При определении знаков внутренних усилий в вертикальных брусьях необходимо какой-то конец бруса (нижний или верхний) принимать в качестве левого и отмечать его на чертеже каким-либо значком.
Силы, как известно, бывают внешние и внутренние . Если взять в руки обычную ученическую линейку и изогнуть ее, то делаем мы это, прикладывая внешние силы – руки. Если усилие рук убрать, то линейка вернется в исходное положение самостоятельно, под воздействием своих внутренних сил (это силы взаимодействия между частицами элемента от воздействия внешних сил). Чем больше внешние силы, тем больше и внутренние, но внутренние не могут постоянно увеличиваться, они растут лишь до определенного предела, и когда внешние силы превысят внутренние, произойдет разрушение . Поэтому крайне важно знать о внутренних силах в материале с точки зрения его прочности. Внутренние силы определяются с помощью метода сечений . Рассмотрим его подробно. Допустим, стержень нагружен некоторыми силами (верхний левый рис.). Разрезаем стержень сечением 1–1 на две части, и будем рассматривать любую из них – ту, которая покажется нам проще. К примеру, отбрасываем правую часть и рассмотрим равновесие левой части (верхний правый рис.).
Действие отброшенной правой части на оставшуюся левую заменяем внутренними силами, их бесконечно много, так как это силы взаимодействия между частицами тела. Из теоретической механики известно, что любую систему сил можно заменить эквивалентной ей системой, состоящей из главного вектора и главного момента. Поэтому все внутренние силы приведем к главному вектору R и главному моменту М (рис.1.1,б). Поскольку наше пространство трехмерно, то главный вектор R можно разложить по осям координат и получить три силы — Q x , Q y , N z (рис.1.1,в). По отношению к продольной оси стержня силы Q x , Q y называются поперечными или перерезывающими силами (расположены поперек оси), N z получил название продольной силы (расположена вдоль оси).
Главный момент М при разложении по осям координат также даст три момента(рис.1.1,г) в соответствии с той же продольной осью — два изгибающих момента M x и M y и крутящий момент Т (может обозначаться как М к или М z).
Таким образом, в общем случае нагружения существует шесть компонентов внутренних сил , которые называются внутренними силовыми факторами или внутренними силами. Для их определения в случае пространственной системы сил составляются шесть уравнений равновесия , а в случае плоской – три.
Чтобы запомнить последовательность метода сечений, следует использовать мнемотехнический прием – запомнить слово РОЗУ из первых букв действий: Р азрезаем (сечением), О тбрасываем (одну из частей), З аменяем (действие отброшенной части внутренними силами), У равновешиваем (т.е. с помощью уравнений равновесия определяем значение внутренних сил).
В практике возникают следующие виды деформаций. Если при случае нагружения в элементе под действием сил возникает один внутренний силовой фактор, то такая деформация называется простой или основной. Простые деформации - это растяжение-сжатие (возникает продольная сила), сдвиг (поперечная сила), изгиб (изгибающий момент), кручение (крутящий момент). Если одновременно элемент испытывает несколько деформаций (кручение с изгибом, изгиб с растяжением и др.), то такая деформация называется сложной .