Rozciąganie i prawo Hooke’a – wytrzymałość materiałów – podstawy

Nie tak dawno omawialiśmy podstawy mechaniki, a teraz dobrze będzie płynnie przejść do wytrzymałości materiałów, a dokładnie do prawa Hooke’a.

Wytrzymałość wcale nie jest tak skomplikowana jak niektórzy ją malują i zajmuje się:

–  siłami działającymi na ciała

– i wywołanymi tym naprężeniami i odkształceniami.

Można tę wiedzę podzielić na kilka prostych rozdziałów:

– rozciąganie

– zginanie

– skręcanie

– ścinanie

Z ROZCIĄGANIEM jest bardzo prosto, bo to jest tak jakbyśmy złapali za 2 końce sznurka (albo jeszcze lepiej gumy) i próbowali go rozerwać. I zanim się uda go rozerwać to na początku delikatnie się rozciągnie, chociaż może na oko tego nie widać (albo widać jeżeli weźmiemy gumę).

I tu dochodzimy do bardzo ważnego prawa HOOKE’a , które opisuje:

O ILE ROZCIĄGNIE SIĘ COŚ POD WPŁYWEM SIŁY ROZCIĄGAJĄCEJ S.

To o ile się rozciągnie nazywają wydłużeniem. W najprostszym ujęciu wydłużenie jest równe:

 

                  S * L

l  =  —————-

          E * A

 

gdzie:

L – długość sznurka albo gumy lub pręta

E – moduł Younga

A – przekrój poprzeczny

Długość sznurka nie wymaga komentarza ale należy powiedzieć słowo o module Younga, który opisuje sprężystość materiału. Jeden materiał można łatwo rozciągać (jak na przykład guma), a inny materiał nie bardzo się nadaje do rozciągania – na przykład beton. No i na końcu mamy przekrój poprzeczny czyli pole przekroju.

To tyle wstępu na temat ROZCIĄGANIA a następnym razem zrobimy jakieś proste zadanie z prawa Hooke’a, żeby to jeszcze lepiej zrozumieć.

Ruch płaski – przyspieszenie – kinematyka – zadanie 4

Kilka wpisów wcześniej zajmowaliśmy się prędkością, a dzisiaj opowiemy sobie jak obliczyć przyspieszenie w ruchu płaskim.

No to mamy zadanie następujące:

OBLICZYĆ PRZYSPIESZENIE PUNKTU A WALCA O PROMIENIU r PORUSZAJĄCEGO SIĘ RUCHEM PŁASKIM

Tutaj będzie znacznie lepsza zabawa niż przy obliczaniu prędkości punktu i dlatego, zanim przejdziemy do zadania, trzeba się odwołać do podstaw:

Mechanika-kinematyka-ciąg dalszy podstaw

Załóżmy czy COŚ jedzie po okręgu o promieniu R i z prędkością Vp i wtedy MOGĄ wystąpić 2 różne przyspieszenia:

PRZYSPIESZENIE STYCZNE – którego wektor jest STYCZNY do toru ruchu (czyli śladu który robi punkt kiedy sobie jedzie – jak jedzie po łuku to robi łuk). Jest ono równe – UWAGA – pochodnej prędkości po czasie, a znaczy to tyle, że jeżeli prędkość się nie zmienia to przyspieszenie styczne jest równe zero.

PRZYSPIESZENIE NORMALNE  którego wektor jest skierowany do środka łuku i jest ono równe:
pn = Vp² : R

Streszczając to co jest napisane w powyższych 2 punktach

przyspieszenie styczne występuje kiedy prędkość się zmienia (dokładnie mówiąc wartość prędkości),

a przyspieszenie normalne występuje gdy ciało porusza się po łuku.

mechanika wstep 4 - Ruch płaski - przyspieszenie - kinematyka - zadanie 4

Jak już wiadomo jakie są rodzaje przyspieszeń, to można obliczyć przyspieszenie punktu A i zrobimy to METODĄ BIEGUNA.

A co to znaczy METODA BIEGUNA?

pa = po + pa/o
Znaczy to tyle, że przyspieszenie punktu A jest sumą 2 wektorów:
– WEKTORA przyspieszenia środka – punktu O – w tym przypadku punkt O wybraliśmy jako BIEGUN
– oraz WEKTORA przyspieszenia punktu A względem środka

I żeby było jeszcze śmieszniej to każdy z powyższych 2 wektorów MOŻE (ALE NIE MUSI) mieć składową styczną i składową normalną. To teraz można zapisać to wszystko w jednym równaniu (oczywiście wektorowo):
pa = pot + pon + pa/ot + pa/on
Przyspieszenie styczne środka będzie równe zero
pot = 0
ponieważ koło jedzie w prawo ze stałą prędkością.

Podobnie przyspieszenie styczne punktu A względem środka będzie równe zero
pa/ot = 0
ponieważ punkt A porusza się względem środka ze stałą prędkością.

Wobec tego sumaryczne przyspieszenie punktu A wyniesie (wektorowo):
pa = pon + pa/on
To teraz trzeba obliczyć poszczególne składniki:
Przyspieszenie normalne środka:
pon = ω² * r
Analogicznie obliczymy przyspieszenie punktu A względem środka:
pa/on = ω² * r

kinematyka1 - Ruch płaski - przyspieszenie - kinematyka - zadanie 4

A więc mamy 2 wektory przyspieszenia i teraz musimy je dodać.
Najprościej będzie to zrobić METODĄ RÓWNOLEGŁOBOKU:
Ustawiamy oba wektory tak, że wychodzą z jednego punktu (wierzchołka równoległoboku) i teraz widać, że tym równoległobokiem (w tym przypadku) jest zwykły prostokąt.

kinematyka2 - Ruch płaski - przyspieszenie - kinematyka - zadanie 4

Suma obu wektorów będzie przekątną wychodzącą z tego samego wierzchołka co 2 pozostałe. I teraz widać, że można do tego użyć twierdzenia Pitagorasa. Wobec tego

PRZYSPIESZENIE PUNKTU A WALCA PORUSZAJĄCEGO SIĘ RUCHEM PŁASKIM WYNIESIE:
pa = √[pon² + pa/on² ]

 

Czyli podsumowując:

  • najpierw obliczamy poszczególne składowe przyspieszenia
  • a następnie dodajemy wektory składowych i suma będzie przyspieszeniem punktu

Równoważność pracy i energii – zadanie 3

Na początku była mowa o podstawach

Mechanika-dynamika-jeszcze raz podstawy

ale dobrze będzie zrobić krok do przodu i dzisiaj powiemy o równoważności pracy i energii.

Mamy takie zadanie:

JAKĄ PRACĘ TRZEBA WYKONAĆ, ABY PRZEWRÓCIĆ NA BOK SZEŚCIAN O BOKU a I MASIE m ?

I na rysunku poniżej widać tę sytuację:

energia 1 - Równoważność pracy i energii - zadanie 3

I to jest bardzo proste: wystarczy przechylić sześcian, żeby stanął na kancie (lub KRAWĘDZI). Dalej już poleci sam i przewróci się na bok. Jedyna praca jaką trzeba wykonać to postawić sześcian na krawędzi. Żeby postawić sześcian na krawędzi to trzeba podnieść środek ciężkości o pewną wysokość – RÓŻNICĘ MIĘDZY POŁOWĄ BOKU A POŁOWĄ PRZEKĄTNEJ – widać to na załączonym szkicu POWYŻEJ. Jedyne czemu trzeba przeciwdziałać to siła ciężkości – trzeba pokonać pracę siły ciężkości, która działa w dół. Czyli praca wynosi:

SIŁA CIĘŻKOŚCI x PIONOWE PRZESUNIĘCIE ŚRODKA CIĘŻKOŚCI

L = m * g * [ 0,5 * a * √2  –  0,5 * a ]

W nawiasie ta pierwsza cząstka ( 0,5 * a * √2 ) to połowa przekątnej (przekątna kwadratu to bok razy pierwiastek z 2) , a druga ( 0,5 * a ) cząstka to połowa boku.

Wniosek wynikający z tego zadania to:

JEŻELI MAMY ZWIĘKSZYĆ ENERGIĘ UKŁADU TO MUSIMY WYKONAĆ PRACĘ MECHANICZNĄ

Mówiąc jeszcze inaczej, energia sama z siebie się nie zwiększy – żeby energia układu wzrosła, to musimy dostarczyć pracy – nie ma nic darmo.

Prawda ze proste?

Ruch płaski – obliczanie prędkości – kinematyka – zadanie 2

Tak żeby w praktyce sprawdzić podstawy, o których była mowa wcześniej,

Mechanika-kinematyka-ciąg dalszy podstaw  

dobrze będzie obliczyć prędkość w ruchu płaskim.

mechanika wstep 4 - Ruch płaski - obliczanie prędkości - kinematyka - zadanie 2

Oto typowe zadanie jakich tysiące:

Linka lub nić nawinięta na walec (lub szpulkę) o promieniu r. Koniec nici ma prędkość V. Widać że nić będzie się odwijać i walec będzie się toczyć w prawo. Walec się toczy a więc jednocześnie się obraca i przesuwa w prawo, czy li mamy ruch płaski i jest pytanie:

OBLICZ PRĘDKOŚĆ PUNKTU A

Widać, że punkt A znajduje się na godzinie dziewiątej. Za chwile pojawi się takie określenie jak

TOCZENIE BEZ POŚLIZGU-

– to znaczy dokładnie tyle że walec toczy się po powierzchni i nic się wzajemnie nie ślizga. I teraz kolejne ważne określenie czyli

CHWILOWY ŚRODEK OBROTU

– to znaczy tyle że koło ma tylko jeden punkt styku z powierzchnią i to jest dokładnie ten ŚRODEK czyli punkt C, wokół którego cały walec się CHWILOWO kręci.

I to co bardzo ważne – CHWILOWY ŚRODEK OBROTU zawsze ma prędkość równą zero czyli Vc=0 – a to dlatego że TEN punkt styka się z powierzchnią, no to musi mieć taką samą prędkość jak powierzchnia ziemi – czyli ZERO.
Na początku ustaliliśmy, że walec porusza się ruchem PŁASKIM czyli jednocześnie ruchem POSTĘPOWYM i OBROTOWYM. A jeżeli jest ruch obrotowy to jest prędkość kątowa i trzeba ją policzyć żeby coś dalej ruszyć.

A co wiadomo na temat prędkości?

Wiadomo że koniec nici nawiniętej na walec jedzie z prędkością V, a ponieważ nitka się nie rozciąga to na całej długości mamy prędkość V, i tak samo z prędkością V porusza się najwyższy punkt koła czyli punkt B (  tak tak chodzi o ten punkt na godzinie dwunastej). A więc:

Vb = V

Jeżeli punkt jedzie w prawo z prędkością V a CHWILOWY ŚRODEK OBROTU stoi w miejscu, to można napisać zależność między prędkością liniową a kątową:
Vb = ω * 2*r
Czyli prędkość liniowa

to

iloczyn prędkości kątowej i odległości punktu od CHWILOWEGO ŚRODKA OBROTU

I z tego wzoru można obliczyć prędkość kątową walca:
ω = 0,5 * Vb : r
I jak już to obliczyliśmy,  to można obliczyć prędkość punktu A z tej samej zależności – prędkość punktu A jest iloczynem prędkości kątowej walca i odległości punktu A od CHWILOWEGO ŚRODKA OBROTU:
Va = ω * OA

Następnym razem zajmiemy się przyspieszeniem.

Rzutowanie siły na oś-siła i jej składowe – statyka

Dobrze będzie zająć się sprawą, która wynikła w zadaniach ze statyki czyli rzutowanie siły na oś oraz rozkładanie jej na składowe. Tutaj warto zwrócić uwagę na sytuację, gdy siła:

  • leży pod pewnym kątem do osi
  • i nie jest to kąt prosty.
    statyka3 - Rzutowanie siły na oś-siła i jej składowe - statyka
    Na rysunku powyżej widać siłę F, która jest pod kątem α do osi x.

Pionowo nad siłą F świeci LAMPA .

A że LAMPA świeci, to pod nią na osi x powstaje CIEŃ siły F, który jest od siły F krótszy i ma długość F*cosα – jest to RZUT siły F na oś x (dlaczego cosinus to za chwilę).

Tak w rzeczywistości to ten rzut siły na oś x (tak tak chodzi o ten cień) jest składową poziomą siły F.
I teraz trzeba głośno powiedzieć, że każdą siłę (która leży na płaszczyźnie) można rozłożyć na 2 składowe.

Tak jak na rysunku poniżej, jak mamy siłę F pod kątem α do poziomu, to możemy ją zastąpić dwiema składowymi:
F*cosa
F*sina
statyka4 - Rzutowanie siły na oś-siła i jej składowe - statyka
A dlatego cosinus lub sinus bo, jak wynika z trygonometrii, bok przyległy do kąta to cosinus, a przeciwległy to sinus.

Tego się ciągle używa przy równaniach równowagi – kolejna PODSTAWA