Kratownica przestrzenna – zadanie 42

Witam ponownie i dzisiaj zajmiemy się kratownicą przestrzenną. Nie tak dawno było coś o kratownicach płaskich i tutaj sposób postępowania będzie analogiczny. Tak samo mamy pręty połączone przegubowo i tak samo kratownica jest w określony sposób obciążona. Różnica polega na umieszczeniu prętów w przestrzeni (zamiast na płaszczyźnie).
A więc mamy taką oto kratownicę:

kratownica1 - Kratownica przestrzenna - zadanie 42
i autor zadania zadaje pytanie

OBLICZ SIŁY W PRĘTACH

Po pierwsze  uwalniamy od więzów kratownicę jako CAŁOŚĆ czyli zastępujemy podpory siłami.

Chodzi oczywiście chodzi tutaj o podpory, którymi kratownica łączy się ze światem zewnętrznym czyli podłożem. Łatwo zobaczyć że kratownicę przymocowano do podłoża trzema podporami przesuwnymi oraz jedną stałą.
Zamiast podpory przesuwnej dajemy JEDNĄ REAKCJĘ (prostopadłą do powierzchni do której podpora jest zamocowana).

Zamiast podpory stałej dajemy REAKCJE PROSTOPADŁE WZDŁUŻ KAŻDEJ OSI.

kratownica2 - Kratownica przestrzenna - zadanie 42

Po drugie piszemy równania równowagi statycznej dla kratownicy jako całości:
∑Pix = RBx + RD – F = 0
∑Piy = RBy = 0
∑Piz = (-RA) – RC – RBz = 0
∑Mix = RC * a = 0 ==> RC=0
∑Miy = F * a – RBz * a = 0
∑Miz = RBy * a + RD * a = 0

Jak widać z powyższych równań, dwie reakcje już mamy obliczone. Z ostatniego równania obliczymy reakcję w podporze D:
RBy + RD = 0
RD = (-RBy) = 0

Z przedostatniego równania obliczymy pionową reakcję w podporze B:
F * a = RBz * a
RBz = F

Z trzeciego równania obliczymy reakcję w podporze A:
RA = (-RC) – RBz = 0 – F = (-F)

Z pierwszego równania obliczymy poziomą reakcję w podporze B:
RBx = (-RD) + F = 0 + F = F

Po trzecie numerujemy wszystkie pręty po kolei od 1 do 9, bo tyle ich jest.

KRATOWNICA3 - Kratownica przestrzenna - zadanie 42

Po czwarte mając obliczone wszystkie reakcje podpór obliczymy reakcje w prętach metodą RÓWNOWAŻENIA WĘZŁÓW.

Na początek wybieramy taki węzeł, z którego wychodzą TRZY pręty, ponieważ dla jednego węzła możemy napisać TRZY równania równowagi statycznej:
– suma rzutów sił na oś x
– suma rzutów sił na oś y
– suma rzutów sił na oś z
ponieważ każdy oddzielny węzeł jest PRZESTRZENNYM ZBIEŻNYM układem sił (wszystkie siły wychodzące z węzła zbiegają się w jednym punkcie).

kratownica4 - Kratownica przestrzenna - zadanie 42

Wobec tego co powyżej wybieramy
wezeł B
i na początek i piszemy równania równowagi:
∑Pix = RBx – S1 – S7 * cos45° = 0
∑Piy = RBy – S2 = 0
∑Piz = S7 * sin45° – RBz = 0

Korzystając z wcześniej obliczonych reakcji:
RBy = 0, RBz = F, RBx = F
z drugiego równania obliczamy siłę w pręcie nr 2:
S2 = RBy = 0
z trzeciego równania obliczymy siłę w pręcie nr 7:
S7 * sin45° = RBz
S7 * sin45° = F
S7 = F : sin45°
Z pierwszego równania obliczymy siłę w pręcie nr 1
S1 = RBx – S7 * cos45° = F – F : sin45° * cos45° =
= F – F = 0

Analogiczne podejście do
węzła A:
∑Pix = S1 + S4 * cos45° = 0
∑Piy = S3 + S4 * sin45° = 0
∑Piz = S6 – RA = 0

Z pierwszego równania:
(-S1) = S4 * cos45°
S4 = (-S1) : cos45° = 0 : cos45° = 0

Z drugiego równania:
S3 = (-S4) * sin45° = 0 * sin45° = 0

Z trzeciego równania:
S6 = RA = (-F)

Kolejno przechodzimy do
węzła C
w którym mamy tylko dwie niewiadome
∑Pix = S5 = 0
∑Piy = S3 + S8 * sin45° = 0
i dlatego nie napiszemy sumy rzutów sił na oś z. Z drugiego równania obliczymy siłę w pręcie nr 8.
(-S3) = S8 * sin45°
S8 = (-S3) : sin45°= 0 : sin45° = 0

Pozostało obliczyć siłę w pręcie nr 9 i zrobimy to przy użyciu
węzła D
pisząc tylko jedno równanie równowagi:
∑Piy = (-S2) – S4 * cos45° – S9 * cosβ * cos45° = 0
(-S2) – S4 * cos45° = S9 * cosβ * cos45°
(-S2):cos45° – S4 = S9 * cosβ
S9 = (-S2):(cos45°*cosβ) – S4:cosβ
Tutaj pojawia się kąt β zawarty pomiędzy podstawa sześcianu (w którym mieści się kratownica) a prętem nr 9. Znając przekątną
sześcianu ( √2 * a ) i jego wysokość
(a) policzymy ten kąt z funkcji arcustangens:
β = arctg [a : (a*√2)] = 35°
W związku z tym siła w pręcie nr 9 wyniesie:
S9 = (-S2):(cos45°*cosβ) – S4:cosβ =
= 0 : (cos45°*cosβ) – 0:cosβ = 0

W ten sposób obliczyliśmy wszystkie siły w prętach. Prawda że łatwe?

Ruch złożony – zadanie 41

Cześć wszystkim i dzisiaj zrobimy zadanie z ruchu złożonego. Oto trójkąt równoramienny prostokątny (o długości ramion równej b) obraca się wokół jednego z wierzchołków (punktu O) z prędkością kątową ω = 2 * t .

ruchzlozony5 - Ruch złożony - zadanie 41
Z drugiego wierzchołka wystartował punkt A i porusza się po przeciwległym boku z prędkości V. Twórca zadania zadaje pytanie:

OBLICZ PRĘDKOŚĆ I PRZYSPIESZENIE PUNKTU A

Krok pierwszy – obliczamy prędkość

Przypomnijmy że mamy ruch własny z prędkością stałą równą V.

Z prędkości kątowej równej 2*t wynika, że ZMIENIA SIĘ ONA W CZASIE . To jest bardzo proste, ponieważ jeżeli będziemy mnożyć liczbę 2 przez kolejno upływające sekundy, to prędkość ω będzie coraz większa z każdą sekundą. Matematycy powiedzą jeszcze inaczej – jeżeli jest napisane
ω = 2 * t
to znaczy że prędkość kątowa ω jest funkcją czasu czyli zależy od czasu. A jak coś zależy od czasu, a czas ciągle biegnie do przodu, to będzie się ciągle zmieniać.

Ponieważ jest to zadanie z ruchu złożonego, to

prędkość punktu A

jest sumą wektorów
prędkości własnej
i
unoszenia.

https://blog-student.com/228/

Ruch unoszenia będzie ruchem po okręgu o promieniu OA.

ruchzlozony6 - Ruch złożony - zadanie 41
W taki ciekawy sposób powstał nowy trójkąt OAAo z jednym kątem wierzchołkowym równym 45º. Ważna uwaga to znamy drogę punktu A w czasie t, ponieważ punkt A jedzie ruchem jednostajnym. I ta droga wynosi V*t i jest ona jednocześnie jednym z boków trójkąta.

Teraz podzielimy trójkąt OAAo na dwa mniejsze i przyjrzymy się trójkątowi prostokątnemu AOA’.

ruchzlozony7 - Ruch złożony - zadanie 41Znając jego wysokość ( V*t*sin45º ) i podstawę ( b – V*t*cos45º ) obliczymy przeciwprostokątną, która dodatkowo jest jednocześnie długością OA. Użyjemy do tego twierdzenia Pitagorasa:

( V*t*sin45º )² + ( b – V*t*cos45º )² = OA²
V² * t² *sin²45º + b² – 2 * b * V * t *cos45º + V² * t² *cos²45º = OA²

V² * t² * (sin²45º + cos²45º) + b² – 2 * b * V * t *cos45º = OA²

V² * t² + b² – 2 * b * V * t *cos45º = OA²

Z tego długość OA wyniesie:

OA = √(V²*t² + b² – 2*b*V*t*cos45º)

Wobec tego prędkość unoszenia:
Vu = ω * OA = ω * √(V²*t² + b² – 2*b*V*t*cos45º)

Mając prędkości własną i unoszenia możemy je dodać wektorowo.

https://blog-student.com/statyka-podstawy-dodawanie-wektorow-pod-roznymi-katami/

Żeby było łatwiej to zwróćmy uwagę na kąt, który powstał w trójkącie prostokątnym AOA’ i jest to kąt β – dla jaśniejszej jasności oznaczyłem go na czerwono.

ruchzlozony8 - Ruch złożony - zadanie 41

Jak skorzystamy z tego trójkąta prostokątnego i z tangensa, to ten kąt będzie równy:
β = arctg [ V*t*sin45o / ( b – V*t*cos45o ) ]
i jest ZMIENNY.
Ten sam kąt jest zawarty pomiędzy pionowym ramieniem trójkąta o długosci b a wektorem prędkości unoszenia Vu.

ruchzlozony9 - Ruch złożony - zadanie 41
Idąc dalej kąt zawarty między poziomym ramieniem trójkąta o długości b a wektorem prędkości własnej wynosi 45º i jest STAŁY. A wszystko po to żeby obliczyć kąt między wektorami prędkości unoszenia i własnej:
α = 90º – 45º – β = 45º – β =
= 45º – arctg [ V*t*sin45º / (b-V*t*cos45º) ]

To teraz dodamy wektory prędkości własnej i unoszenia metodą równoległoboku:

V = √[(Vu*cosβ+V*cos45º)² + (Vu*sinβ+V*sin45º)²]

Prędkości załatwione a więc czas na

Krok drugi – obliczamy przyspieszenia

Ponieważ ruch unoszenia jest ruchem obrotowym, to przyspieszenie punktu A jest sumą:
– przyspieszenia własnego (tutaj MOŻE wystąpić składowa styczna i normalna)
– przyspieszenia unoszenia (tutaj również MOŻE wystąpić składowa styczna i normalna)
– przyspieszenia Coriolisa (ono występuje w zadaniach z ruchu złożonego tylko wtedy, gdy ruch unoszenia jest ruchem obrotowym):
pA = pw + pu + pc
Po kolei rozpatrzymy każdą ze składowych:

Ruch własny odbywa się ze stałą prędkością V po prostej, a więc składowa styczna nie występuje (bo prędkość jest stała) i składowa normalna również nie występuje (bo punkt A jedzie po prostej):
pw = 0

Ruch unoszenia odbywa się po okręgu z prędkością kątową
ω = 2 * t, a wiec składowa normalna na pewno wystąpi (bo punkt A jedzie po okręgu):
pun = ω² * OA =

= 4 * t² * √(V²*t² + b² – 2*b*V*t*cos45º)

Składowa styczna jest pochodną prędkości unoszenia po czasie:
put = dVu/dt = d/dt [2 * t * √(V²*t² + b² – 2*b*V*t*cos45º)] =

= 2 * d/dt [t * √(V²*t² + b² – 2*b*V*t*cos45º)] =

= 2 *  [t’ * √(V²*t² + b² – 2*b*V*t*cos45º) +

+ t * (√(V²*t² + b² – 2*b*V*t*cos45º))’ ] =

= 2 *  [1 * √(V²*t² + b² – 2*b*V*t*cos45º) +

+ t / [2*(√(V²*t² + b² – 2*b*V*t*cos45º)]  ]

Przyspieszenie Coriolisa wyniesie:
pc = 2 * ω * V * sin (<ω , V) = 2 * 2 * t * V * sin (<ω , V) =
= 4 * t * V * sin90º = 4 * t * V

To teraz sobie narysujemy wszystkie obliczone wektory przyspieszeń, żeby móc obliczyć ich sumę.

ruchzlozony10 - Ruch złożony - zadanie 41
Rzuty wektorów na oś x wyniosą:
px = pun*cosβ + pc*cos45º + put*sinβ

Rzuty wektorów na oś y:
py = put*cosβ – pun*sinβ – pc*sin45º

Wypadkowe przyspieszenie punktu A wyniesie (metoda równoległoboku):
pA = √(px² + py²) =

=√[ (pun*cosβ+pc*cos45º+put*sinβ)²+(put*cosβ-pun*sinβ-pc*sin45º )²]

Prawda że łatwe?

Kinematyka – oblicz składowe przyspieszenia punktu

Witam wszystkich i dzisiaj w związku z kinematyką obliczymy prędkość i składowe przyspieszenia punktu A. Na poniższym rysunku widzimy mechanizm składający się z trzech elementów czyli trzech ogniw:

kinematyka7 - Kinematyka - oblicz składowe przyspieszenia punktu
ogniwa napędowego 1 (o długości L) poruszającego się po prostej (naukowcy powiedzą – ruch postępowy)
ramienia 3 (o długości 2*L) obracającego się wokół punktu B
suwaka 2 łączącego ogniwo napędowe z ramieniem
Dana jest prędkość Vc (jest to prędkość punktu C i jednocześnie całego ogniwa napędowego). Jeżeli wiemy, jak to działa, to powiedzmy, o co pyta autor:

OBLICZ PRĘDKOŚĆ I SKŁADOWE PRZYSPIESZENIA PUNKTU A

Krok po kroku wytłumaczymy sobie, jak do tego podejść:

Krok pierwszy – wychodzimy od tego, co wiemy:

Znamy prędkość ogniwa napędowego 1 i jego wymiary. Dodatkowo w chwili początkowej punkty B, D oraz C tworzą trójkąt równoramienny o podstawie L, dwóch kątach równych 45 stopni i jednym kącie prostym.
I teraz skupmy się na trójkącie BDC.
Ogniwo napędowe (czyli to z numerem 1) przesuwa się ze stałą prędkością Vc. Wynika z tego, że długość DC będzie się zwiększać o Vc*t. Wtedy długość podstawy BC (długość równa L) pozostanie bez zmian i dodatkowo  kąt BCD również pozostanie 45 stopni. I co najlepsze to powstał nowy trójkąt, którego jedną z przyprostokątnych jest droga przebyta przez ogniwo napędowe równa Vc*t.

kinematyka8 - Kinematyka - oblicz składowe przyspieszenia punktu
To teraz skorzystajmy z trygonometrii a dokładnie z tangensa kąta α:
tgα = Vc*t : BD
Widać że odległość BD jest przekątną kwadratu o boku 0,5*L:
BD = √2 * 0,5*L
czyli wracamy do tangensa kąta α:
tgα = Vc*t : (√2 * 0,5*L)
czyli kąt α wynosi:
α = arctg [ Vc*t : (√2 * 0,5*L]

Krok drugi

Zmiana kąta w czasie

nazywa się

prędkością kątową,

a mówiąc bardziej naukowo pochodną kąta po czasie jest prędkość kątowa. W tym przypadku mówimy o prędkości kątowej ogniwa nr 3:
ω3 = da / dt = d/dt ( arctg [ Vc*t : (√2 * 0,5*L) ] ) =
= d/dt ( arctg [ 1,4*Vc*t : L ] ) =

1,4*Vc / L
= —————————-
1 + (1,4*Vc*t : L)²

Krok trzeci – punkt A (koniec ogniwa nr 3) porusza się po okręgu o promieniu 2*L

a więc jego prędkość jest iloczynem prędkości kątowej i promienia okręgu:
VA = ω3 * 2 * L =

1,4*Vc / L * 2 * L
= —————————- =
1 + (1,4*Vc*t : L)2

2,8*Vc
= —————————-
1 + (1,4*Vc*t : L)2

Krok czwarty – prędkość policzona to teraz przechodzimy do przyspieszeń.

Przyspieszenie punktu A może (z akcentem na MOŻE) składać się z dwóch składowych:
– stycznego
– normalnego

https://blog-student.com/kinematyka-przyspieszenie-styczne-i-normalne-przypomnienie-podstaw/
No to liczymy:
Przyspieszenie styczne jest pochodną prędkości po czasie:
pAt = dVA / dt =

2,8*Vc
=d/dt —————————-
1 + (1,4*Vc*t : L)²

= 2,8*Vc * d/dt [ 1/[ 1 + (1,4*Vc*t : L)² ] ]  =

= 2,8*Vc * (-1) * [1/[ 1 + (1,4*Vc*t : L)² ] ²] * 2*(1,4*Vc*t : L) * 1,4*Vc/L = (-11) * Vc³ * t / L² * [ 1/[ 1 + (1,4*Vc*t : L)² ] ²]

Na koniec policzymy przyspieszenie normalne:
pAn = ω3² * 2 * L =

(1,4*Vc / L) ²
= ——————————— * 2 * L
(1 + (1,4*Vc*t : L)² ) ²

Obliczyliśmy 2 składowe przyspieszenia i sumaryczne przyspieszenie punktu A będzie sumą obu wektorów.

Zaprojektuj przekrój belki – zginanie – zadanie 39

Dzisiaj zrobimy zadanie ze zginania belek polegające na zaprojektowaniu przekroju belki. zginanie32 1024x462 - Zaprojektuj przekrój belki - zginanie - zadanie 39
I oto widzimy belkę składającą się z dwóch odcinków (przedziałów) połączonych przegubem. Lewy koniec lewego odcinka oparto na podporze przegubowej przesuwnej, a prawy koniec prawego odcinka wmurowano w ścianie. Belkę obciążono siłą i momentem. Przekrój belki jest prostokątem o podstawie a i wysokości 2*a, gdzie a jest niewiadomą.

zginanie41 - Zaprojektuj przekrój belki - zginanie - zadanie 39

Belkę wykonano z materiału o dopuszczalnych naprężeniach zginających kg. Autor zadaje pytanie:

ZAPROJEKTUJ PRZEKRÓJ BELKI O PRZEKROJU PROSTOKĄTNYM 2a x a

Początek jest analogiczny do innych zadań ze zginania belek:

Krok pierwszy

Uwalniamy belkę od więzów, ale jest małe ALE.
To ALE jest, ponieważ mamy jedną reakcję w lewej podporze (podpora przegubowa przesuwna – jedna reakcja prostopadła do podłoża) i trzy reakcje w ścianie. Tylko żeby obliczyć momenty zginające belkę, to nie potrzebujemy reakcji na jednym końcu belki i dlatego obliczymy TYLKO reakcję w podporze przesuwnej. W tym celu uwolnimy od więzów LEWĄ część belkizginanie33 1024x619 - Zaprojektuj przekrój belki - zginanie - zadanie 39Krok drugi

Piszemy równanie równowagi statycznej dla LEWEJ części belki, ALE będzie to wyłącznie równanie momentów względem punktu B, ponieważ w tym równaniu wystąpi TYLKO jedna niewiadoma RA, której szukamy:
ΣMiB = RA*L – P*L = 0
RA*L = P*L
Reakcja w podporze A wyniesie:
RA = P

Krok trzeci
Powracamy do belki jako całość i uwalniamy od więzów:zginanie34 1024x467 - Zaprojektuj przekrój belki - zginanie - zadanie 39

Krok czwarty
Ponieważ mamy obliczoną reakcję w podporze A, to zaczynamy obliczanie momentów od lewej strony. Zakrywamy kawałkiem KARTKI (ten czerwony prostokąt przekreślony na krzyż) całą belkę odsłaniając WYŁĄCZNIE punkt A i piszemy jaki moment widzimy:

zginanie35 1024x467 - Zaprojektuj przekrój belki - zginanie - zadanie 39
MgA = P*L
i to jest jasne i proste, ponieważ widać tylko moment skupiony P*L, a siła RA działa na ramieniu o długości ZERO (odległość od siły RA do kartki).

Następnie zakrywamy prawą połowę belki, żeby jednocześnie widzieć punkt B i piszemy moment w punkcie B:

zginanie36 1024x467 - Zaprojektuj przekrój belki - zginanie - zadanie 39
MgB = P*L – RA*L = P*L – P*L = 0
Przypomnę, że w powyższym wzorze RA*L oznacza moment od siły RA działający na ramieniu L (odległość od siły RA do kartki).

Pozostało obliczyć moment zginający w punkcie C i w tym celu zasłaniamy tylko ścianę z prawej strony i punkt C:

zginanie37 1024x467 - Zaprojektuj przekrój belki - zginanie - zadanie 39
MgC = P*L – RA*2*L + 4*P*L = P*L – P*2*L + 4*P*L = 3*P*L

Krok piąty
Tak samo idąc od lewej do prawej obliczymy siły tnące działające na belkę. Dla przypomnienia siła tnąca to jest taka siła, która działa w poprzek belki, czyli w naszym przypadku siła działająca w pionie (ponieważ w tym zadaniu belka leci poziomo). A więc do dzieła:
Zasłaniamy belkę kartką w taki sposób żeby widzieć kawałek lewego przedziału.

zginanie38 1024x467 - Zaprojektuj przekrój belki - zginanie - zadanie 39

Piszemy siły w poprzek belki, które widzimy:
TAB = (-RA) = (-P)

Kolejno zasłaniamy belkę, żeby widzieć cały lewy przedział i kawałek prawego.
zginanie39 1024x467 - Zaprojektuj przekrój belki - zginanie - zadanie 39
Oto jakie siły widzimy, które działają w poprzek belki:
TBC = (-RA) + 4*P = (-P) + 4*P = 3*P
Obliczyliśmy siły tnące i momenty gnące, to można narysować wykresy.

zginanie40 - Zaprojektuj przekrój belki - zginanie - zadanie 39Widać, że największy moment zginający występuje przy ścianie:
Mgmax = 3*P*L

Krok szósty
Teraz przejdziemy do prostokątnego przekroju belki i dla niego obliczymy moment bezwładności:
Jxc = a * (2*a)³ / 12 = 0,67 * a4
oraz wskaźnik wytrzymałości na zginanie:
Wx = Jxc : ymax = 0,67 * a4 : a = 0,67 * a³

Krok siódmy
Przyszedł czas na warunek wytrzymałościowy, który mówi, że maksymalne naprężenia zginające belkę muszą być mniejsze od dopuszczalnych kg:

https://blog-student.com/naprezenia-zginajace-podstawy/
Mgmax : Wx < kg
Wstawiamy do powyższego wzoru wskaźnik i wartość maksymalnego momentu gnącego:
3*P*L : ( 0,67 * a³ ) < kg
4,48*P*L / a³ < kg
Szukany minimalny wymiar przekroju wyniesie:
a = [ 4,48*P*L / kg ] 1/3

i w ten sposób zaprojektowaliśmy wymiary przekroju belki.

Naprężenia zginające – podstawy

Witam wszystkich i dzisiaj opowiemy o naprężeniach zginających. Kilka razy było o zginaniu belek

https://blog-student.com/wytrzymalosc-zginanie-zadanie-11/

i naprężenia są tego konsekwencją. To teraz krok po kroku:
Naprężenia zginające są odmianą naprężeń normalnych czyli prostopadłych do przekroju.
zginanie31 300x225 - Naprężenia zginające - podstawy
Na powyższym szkicu widać naprężenia w belce o przekroju prostokątnym. W tym przypadku największe naprężenia występują w skrajnych punktach przekroju na górze i na dole. Zawsze najwyższe wartości zauważymy w najdalszej odległości od osi centralnej przekroju zginanego. Dlatego też zerowe wartości naprężeń wystąpią w okolicach środka ciężkości przekroju.
Jeżeli znamy moment zginający Mg, to maksymalne naprężenia zginające σgmax w przekroju zginanym są

ilorazem tego momentu

przez

wskaźnik wytrzymałości przekroju na zginanie Wx:
σgmax = Mg : Wx
zginanie30 300x225 - Naprężenia zginające - podstawy
Miarą naprężeń zginających jest paskal [Pa].
Prawda że łatwe?