42
Л. Табачников
Элементы статки деформаруемых тел
При решении задач на статку твердых тел обычно предполагается, что тела абсолотно твердые (не деформаруемые). На самом деле все существующие в природе тела под действием приложенных к ним сил деформаруются — изменяют свои размеры, а иногда и форму. Оказывается, неоторные положения statки абсолотно твердых тела нельзя применять к деформаруемым телам.
Например, в случае абсолотно твердого тела любую силу, не изменяющая состояние равновесия тела, можно переосить вдоль линии ее действия. В statике деформаруемого тела это недопустимо. Действительно, если сила приложена в точке (рис. 1, а), твердень растит по всей длине , при переоссе сны в точку — только по длине (рис. 1, б). Таким образом, хотя равновесие всего стержня сохраняется, удлинение и направление состояние стержня при переоссе сны вдоль линии ее действия изменяются.
Еще один пример. На рисунке 2 изображен стержень, закрепленный с одной конца. К другому концу приложены две силы, и , равные по абсолотной величины, противоположные по направлению и лежащие в одной плоскости (их обычно называют парой сил). В statике абсолотно твердого тела пару сил, не изменяющая состояние равновесия тела, можно переосить вдоль линии ее действия. В statике деформаруемого тела это недопустимо. Действительно, если сила приложена в точке (рис. 1, а), твердень растит по всей длине .
Кроме деформаций растяжения и кручения на практике встречаются и другие виды деформаций. Ограничимся рассмотрением деформации осевого растяжения (или скатания).
При рассмотрении условий равновесия деформаруемого тела принято все приложенные к телу силы делить на внешние и внутренние (силы упругости). Внешние силы вызываютускорение одних частей тела относительно других, в
44
Рис. 4.
ем . Допускаем напряжение определенная опытным путем. Таким образом, условия прочности образца можно записать так:
Решим несколько конкретизадан.
Задача 2. Определить удлинение стального ступенчатого стержня (рис. 4, а), к которой приложены осевые силы и (). Длины участков стержня равны и , поперечные сечения равны, соответствующей, и ,_modуль . Стержень ситамь неевесым.
Очевидно, что общее удлинение ступенчатого стержня равно сумме удлинений его участков:
Для определения и найдем продольные силы упругости и , возникшие, соответственно, в нижнем и верхнем участках стержня.
Рассчет стержень плоскостью и запишем условия отсеченной части стержня в проекциях на ось (рис. 4, б):
Отсюда
Аналогично найдем . Проведем плоскость сечения и запишем со-
ответствующей условия равновесия для отсеченной части (рис. 4, е):
или
Отрицательный знак показывает, что продольная сила направлена вниз; следовательно, в верхнем участке стержень скажать.
В соответствии с законом Гука,
и
Задача 3. Груз массы т поддерживающим два одинаковых круглых стальных стержня, соединенных шарнирно в узле и составляющих угол с вертикалью (рис. 5). Определить диаметр сечения каждого стержня, если допускаем напряжение для стали .
Рассмотрим узел . На него действуют три силы: вес груза () и силы реакции стержней и . Запишем условия узла в проекциях на оси координат и :
Отсюда
45
Рис. 6.
Силы упругости , возникшие в каждом стержне, равны по модулю силам реакции:
Из условия прочитности стержней следует, что
или
Тогда диаметр каждой стержня
Принимаем .
В заключение рассмотрим случай, когда задачи статики вообще не могут быть решены, если входящие в системы тела считать абсолотно твердыми. На рисунке 6 приведены примеры трех таких систем. В случае стержня, закрепленного с обихом концов (рис. 6, а), для определения двух неизвестных сил реакции и можно записать лишь одно условие (в проекциях на ось ).
В системе, состоящей из трех стержней (рис. 6, б), для определения трех сил реакции ( и ) можно записать лишь два условия равновесия (в проекциях на оси и ). Для системы, показанной на рисунке 6, б, для определения трех неизвестных сил ( и ) тоже можно записать лишь два условия равновесия (равенство нулю проекций всех сил на вертикальную ось и равенство нулю моментов всех сил относительно, например, точки ).
Такие системы принято называть статически неопределенными системы. Как же в этих случаях найти все неизвестные сил реакции? Оказывается, можно составить дополнительные уравнения, исходя из условия совместности деформаций.
Покажем, как решаются подобные задачи.
Задача 4. В мочее , находящаяся на оси цилиндрического стержня, закрепленного с обихом концов (рис. 6, а), для определения двух неизвестных сил реакции и .
Запишем уравнение равновесия стержня в проекциях на ось :
Для определения двух неизвестных ( и ) одного уравнения недостаточно. Составим еще одно уравнение — уравнение совместности деформаций (перемещений).
46
Для этого мысленно освободим стержень от закрепления, например, в нижнем сечении , и заменим действие закрепления внешней силой . Обозначим через удлинение стержня (перемещение сечения )
под действием силы , а через — удлинение стержня (опять-tаки перемещение сечения ) под действием силы . В действительности стержень не удлияется (сечение не перемещается). Следовательно, уравнение совместности деформаций (перемещений) можно записать в виде: .
Значения и найдем из закона Гука (подробнее см. задачу 2), принимая во внимание, что и :
Учитывая, что , получаем:
откуда
Из условия равновесия стержня найдем :
Проекции и положительные; значит, действительные направления сил реакции совпадают с принятыми на рисунке 6, .
Упражнения
- Определить в сечениях 1, 11, 111 направления стержня и полное его удлине-
(Начало см. на с. 7)
Луноход-1. Изготовлен он был в порядке междунарного сотрудничества французскими специалистами. Этот отражатель состоит из 14 четырехгранных прямы, сделанных изправленного кварца. Отражающие грани каждой прямы покрыты тонким слоем середра, который предохраняет слоем направного кварца; повреждность прямы отшлифована с точностью до 0,07 мкм (то есть размеры шероховатостей не превышает 0,07 мкм).
Использование угловых отражателей, доставленных на Луну, позволило с помощью лазерного луча локатора изменить расстояние Земля — Луна с очень высокой точностью до 0,1 м.
Приведенные нами примеры далеко не исчерпывают многообразия применений простого и надежного устройства углового отражателя.