Twierdzenie Steinera – podstawy

Witam wszystkich i dzisiaj będzie o twierdzeniu Steinera i już mówię, co to oznacza. Wielokrotnie w mechanice i wytrzymałości spotykamy się z przekrojami na przykład z przekrojami zginanych belek czy skręcanych wałów. Taki przekrój może być prostokątem, kołem trójkątem lub dowolną kombinacją wymienionych figur. Każdy przekrój posiada środek ciężkości (o czym już było niedawno) oraz moment bezwładności.
To może wystarczy tego wstępu, bo o momencie bezwładności przekroju dzisiaj będzie. Przypomnę, że jest to taka wielkość opisująca figurę, która mówi, w jaki sposób jest ona położona względem osi układu współrzędnych. Jeżeli ta oś przechodzi przez środek ciężkości przekroju to nazywa się OSIĄ CENTRALNĄ. Momenty bezwładności podstawowych figur względem osi centralnych można znaleźć w literaturze i kilka przykładów zamieszczam poniżej
momentbezwladnisci1
Wszystko pięknie tylko często potrzeba obliczyć moment bezwładności przekroju względem osi x równoległej do CENTRALNEJ xc ale NIE PRZECHODZĄCEJ przez środek ciężkości przekroju. I na to gotowych wzorów nie ma, ale z pomocą przychodzi twierdzenie Steinera.
momentbezwladnosci2
Nawiązując do powyższego rysunku mamy dane:
– moment bezwładności przekroju względem osi centralnej Jxc
– pole figury S
– odległość miedzy osią centralna xc a równoległą do niej osią x którą oznaczono a .
I teraz uwaga:
Moment bezwładności względem osi x wyniesie:

J = Jxc + S * a²

Prawda że łatwe?

Skręcanie wału – wytrzymałość – zadanie 35

Witam wszystkich i dzisiaj będzie trochę nietypowe i jednocześnie proste zadanie ze skręcania wałów.
Wał o minimalnej średnicy czynnej równej d= 20 mm przenosi moc P=10kW przy prędkości obrotowej n=1000obr/min.
skrecanie12

Autor zadaje pytanie

OBLICZ MAKSYMALNE NAPRĘŻENIE SKRĘCAJĄCE WAŁ

Na sam początek warto przypomnieć co to znaczy średnica czynna:
Jest to średnica wałka, która mieści się w przekroju pod rowkiem wpustowym na najmniejszej średnicy wału i na poniższym rysunku oznaczono ją d.
skrecanie13
1. Mając prędkość obrotową obliczymy prędkość kątową wału:
ω = π * n / 30 = π * 1000obr/min / 30 = 105rad/s

2. Mając moc i prędkość kątową obliczymy moment przenoszony

i jest to

iloraz mocy i prędkości kątowej:
M = P / ω = 10 000W / 105rad/s = 95,2Nm = 95 200Nmm

3. Znając minimalną średnicę czynną obliczymy wskaźnik wytrzymałości przekroju na zginanie:
W = π * d³ / 32 = π * 20³ / 32 = 785mm3

4. Maksymalne naprężenie skręcające jest ilorazem przenoszonego momentu oraz wskaźnika wytrzymałości przekroju na zginanie:
τs = M / W = 95 200Nmm / 785mm3 = 121MPa

Prawda że łatwe?

Ścinanie sworzni – wytrzymałość – zadanie 34

Witam wszystkich i dzisiaj będzie zadanie ze ścinania sworzni. Na obrazku widzimy połączenie sworzniowe i dana jest siła rozciągająca F szerokość blachy s, dopuszczalne naprężenia ścinające dla sworznia kt, dopuszczalne naprężenia rozciągające dla blachy kr.
scinanie5
Autor zadaje pytanie:

OBLICZ WYMAGANĄ ŚREDNICĘ d SWORZNIA I GRUBOŚĆ g BLACHY
Jeżeli jest podane dopuszczalne naprężenie ścinające kt dla sworznia i rozciągające kr dla blachy, to wynika że trzeba ułożyć DWA warunki wytrzymałościowe:
na ścinanie dla sworznia z którego obliczymy minimalną wymaganą średnicę
na rozciąganie dla blachy z którego obliczymy wymaganą grubość

No to zaczynamy:

Warunek wytrzymałościowy na ścinanie dla sworznia:
F / (2*π*d² / 4 ) < kt
W mianowniku wystąpiło 2 razy pole koła o średnicy d (czyli π* d² / 4), ponieważ mamy 2 powierzchnie ścinane sworznia (tak jak widać na poniższym rysunku, sworzeń zostanie ścięty na 2 powierzchniach).

SCINANIE4
4*F / (2*π* d² ) < kt
0,64*F / ( d² ) < kt
0,64*F = d² * kt
Po przekształceniu otrzymujemy minimalną średnicę sworznia:
d = √(0,64*F / kt)

Warunek wytrzymałościowy na rozciąganie dla blachy:
F : ( g * (s-d) ) < kr
W mianowniku występuje iloczyn grubości blachy g oraz długości s-d i jest to SZEROKOŚĆ BLACHY pomniejszona o ŚREDNICĘ SWORZNIA – obrazowo są to dwie zakreskowane powierzchnie na poniższym obrazku.
scinanie6
F < g * (s-d) * kr
Z tego wynika wymagana grubość blachy:
g = F / [ (s-d) * kr ]

Rzutowanie prostokątne brył – rysunek techniczny

Witam wszystkich i dzisiaj zaczniemy nowy temat czyli rysunek techniczny a dokładnie będzie o rzutowaniu prostokątnym brył.

Jeżeli spotka się to z Waszym zainteresowaniem, to będziemy kontynuować.
O rysunku technicznym można czytać wiele mądrych książek i jednocześnie można niewiele rozumieć. To nie zależy ile kto przeczytał, tylko czy rzeczywiście czuje temat i dlatego podobnie jak we wcześniejszych postach także tutaj zaczniemy od podstaw i kolejno przejdziemy do tematów sprawiających największy kłopot. Rysunek techniczny to temat rozległy, ale nie tak rozległy, żeby tego nie zrozumieć.

No to zaczynamy

Zdaniem wielu osób, które spotykam spore zamieszanie powoduje rzutowanie prostokątne i przekroje. Oczywiście że dużo tutaj pomaga zmysł przestrzeni, widzenie przedmiotów w trzech wymiarach albo jak kto sobie to nazwie inaczej. My zwyczajnie musimy pokazać rysowany przedmiot z tylu stron, żeby komuś innemu opowiedzieć (przy pomocy linii i kresek) , jak on wygląda.
Zaczniemy od prostych zadań, w których mamy podane dwa rzuty i na ich podstawie musimy narysować trzeci rzut bryły. To tak na początek coś prostego:
rzutowanie4
Oto proste zadanie w którym mamy narysowany główny rzut bryły (na górze po lewo) oraz rzut z góry (na dole po lewo).
Tyle wiadomo, a nie wiadomo, jak wygląda

rzut bryły z lewej strony (znak zapytania na górze po prawo).

Na rzucie z góry widać jakiś element (oznaczony 1), który nie do końca wiadomo, czy wystaje z górnej ścianki, czy jest jakimś wycięciem.
rzutowanie5
Jednak jak spojrzymy na rzut główny z boku to w tym miejscu nic nie widać (oznaczenie 2).
rzutowanie6
Z tego wynika, że to coś musi być wycięciem w górnej ściance. Wobec tego spróbujmy sobie to wycięcie wyobrazić i wyobraźmy sobie, jak wygląda cała bryła.
rzutowanie7
Teraz widać to wycięcie w górnej ściance i jedyne czego nie wiemy i co nie wynika z podanych rzutów (rzut główny z boku oraz rzut z góry) to wysokość tego wycięcia. I to jest jedyna rzecz, którą musimy sobie założyć.
To jak już widać całą bryłę i to w całej okazałości, to teraz możemy narysować szukany rzut. Ten szukany rzut jest rzutem bryły z lewej strony i widząc ją w całości spójrzmy na tę lewa ściankę (której na początku nie widzieliśmy) i po prostu ją zrzutujmy.
rzutowanie3
Teraz to wszystko świetnie widać:
rzut główny z boku – to już było dane w zadaniu
rzut z góry – to też było dane w zadaniu
– i to co najlepsze czyli szukany rzut – zielona ścianka oznaczona ‚1’ i niebieska ścianka w wycięciu oznaczona ‚2’.
Jak już wszystko stało się jasne, to można teraz wszystko przenieść ponownie na rysunek 2D
rzutowanie8
Szukany rzut jest na swoim miejscu.
Prawda że łatwe?

Private: Dynamika – regulator – zadanie 33

Mamy taki regulator, w którym belkę o masie m przymocowano przegubowo w 2/3 długości od dołu do wału.
dynamika12
Wał obraca się z prędkością kątową ω . Autor zadaje pytanie:

O JAKI KĄT α ODCHYLI SIĘ  BELKA?

Po pierwsze
Całość uwalniamy od więzów czyli:
– zastępujemy przegub dwiema prostopadłymi reakcjami
– przykładamy ciężar do belki
– ponieważ całość obraca się, to do belki przykładamy siły odśrodkowe bezwładności

dynamika13

Po drugie
Piszemy równania równowagi, a ponieważ jest to układ PŁASKI ROZBIEŻNY, to piszemy TRZY równania równowagi:
∑Pix = ∫dB –  ∫dB2 – Rx = 0 [1]
∑Piy = Ry – m*g = 0 [2]
∑Mio = ∫dB*x*cosα – m*g*L/6*sinα + ∫dB2*x2*cosα = 0 [3]

Po trzecie
W powyższych równaniach pojawiła się całka i teraz warto ją do końca policzyć, ale na początek dobrze będzie zająć się elementarną siłą dB czyli siłą odśrodkową bezwładności. To jest taka siła (mała siła), która działa na niewielką cząstkę belki o bardzo niewielkiej masie. Chodzi o to, że jak zsumujemy te wszystkie małe elementarne siły dB, to będziemy mieć sumaryczną siłę odśrodkową działającą na belkę.

dB = dm * ω² * x * sinα
Analogicznie elementarna siła odśrodkowa po krótszej stronie belki wyniesie:
dB2 = dm * ω² * x2 * sinα

Teraz stworzymy zależność która mówi, że

Elementarna masa dm ma się tak do całej masy belki m, jak elementarna długość dx do całkowitej długości L:

dm/m = dx / L

z tego wyciągamy dm:

dm = m * dx / L

i wstawiamy do obliczonych wcześniej elementarnych sił bezwładności:

dB = m/L * ω² * x *sinα* dx

dB2 = m/L * ω² * x2 *sinα* dx

Następnie robimy z tego całki i obliczamy je. Pierwsza całka oznaczona od zera do 2/3*L:
∫m/L*ω²*x*sinα dx = m/L*ω²*sinα*1/2*(2/3*L)²  = m/L*ω² *sinα*1/2*4/9*L²  =
= m*ω² *sinα*2/9*L

I druga całka oznaczona od zera do L/3:
∫m/L*ω² *x2*sinα dx = m/L*ω² *sinα*1/2*(L/2)² = m/L*ω²* sinα*1/2*L² /4 =

= m * ω² * sinα * L/8

Trzecia całka oznaczona od zera do 2/3*L:
∫dB*x*cosα = ∫m/L*ω² *x*sinα*dx*x*cosα = m/L*ω²* sinα*cosα*1/3*(2/3*L)³ =
= m*ω² *sinα*cosα*8/81*L²

Czwarta całka oznaczona od zera do L/3:
∫dB2*x2*cosα = ∫m/L*ω² *x2*sinα*dx*cosα x2 =
= m/L * ω² * sinα * cosα * 1/3 * (L/3)³ = m * ω² * sinα * cosα * L²/81

I teraz można to co wyszło z tych wszystkich całek wstawić do równania momentów:
∑Mio = m * ω² * sinα * cosα * 8/81 * L² – m * g * L/6 * sinα +
+ m * ω² * sinα * cosα * L²/81 = 0 [3]

ω² * cosα* 8/81 * L²  – g*L/6 + ω² * cosα * L²/81 = 0
ω² * cosα* 8/81 * L² + ω² * cosα * L²/81 = g*L/6
ω² * cosα* 9/81 * L² = g*L/6
I jak to sie to uprości to mamy coś takiego
cosα = 1,5 * g : ( ω² * L )
Wobec tego kąt odchylenia belki wyniesie:
a = arccos (1,5 * g : ( ω² * L ) )

Prawda że łatwe?

Wytrzymałość – trójkierunkowy stan naprężenia – zadanie 32

Witam ponownie i dzisiaj zrobimy zadanie z trójkierunkowego stanu naprężenia:

Mamy walec o średnicy D i wysokości 2*D i na ten walec od góry naciska siła F. Dany jest modul Younga E, stala Poissona dla materialu walca.

rozciaganie20

Autor zadaje pytanie:

OBLICZ ZMIANĘ POLA POWIERZCHNI WALCA PO PRZYŁOŻENIU SIŁY F

Warto sobie obrać układ współrzędnych i niech o osie x i y będą leciały równolegle do podstawy, a oś z będzie jednocześnie osią walca i będzie leciała do góry.

Na początek piszemy 3 równania opisujące trójkierunkowy stan naprężenia

x = x/E – *y/E – *z/E [1]

y = y/E – *x/E – *z/E [2]

z = z/E – *x/E – *y/E [3]

i tak jak wcześniej mówiliśmy te 3 równania ZAWSZE wystąpią w tego typu zadaniach. I teraz jak spojrzymy na nie dokładniej to widać że mamy 6 niewiadomych:

– odkształcenia względne wzdłuż 3 osi – x, y , z

– naprężenia wzdłuż 3 osi – x , y , z

I teraz to zaczyna być logiczne, że potrzebujemy 6 równań żeby policzyć 6 niewiadomych. A ponieważ już mamy 3 (te powyżej) , to musimy wymyśleć 3 dodatkowe.

Wiadomo że wzdłuż osi równoległych do podstawy naprężenie wynosi ZERO, ponieważ na tworzącą walca (boki walca) nic nie naciska.

x = 0 [4]

σy = 0  [5]

Wiadomo że naprężenie wzdłuż osi z (osi walca – w pionie) wyniesie tyle co siła F podzielona przez pole podstawy walca.

z = F : ( 0,25 * * D) = 1,3*F : D2

Mamy teraz 6 równań i 6 niewiadomych . Jak wstawimy równania [4] , [5] i [6] do równań [1] , [2] oraz [3] to dalej pójdzie z górki:

x = /E – */E – *1,3*F / ( E * D2 ) [1]

y = /E – */E – *1,3*F / ( E * D2 ) [2]

z = 1,3*F / ( E * D2 ) – */E – */E [3]

Po uproszczeniu to wygląda trochę lepiej:

x = (- *1,3*F / ( E * D2 ) [1]

y = (- *1,3*F / ( E * D2 ) [2]

z = 1,3*F / ( E * D2 ) [3]

Jak widać powyżej, mamy już policzone odkształcenia względne we wszystkich kierunkach, czyli o ile PROCENTOWO zmienią się wszystkie prostopadłe do siebie wymiary walca – średnica i wysokość.

Wiemy że średnica wynosiła D, a jak nacisnęliśmy walec od góry siła F to średnica (która się zwiększyła) wyniosła:

D + D * x = D + D* *1,3*F / ( E * D2 ) = D + * 1,3 * F / ( E * D )

czyli suma początkowej średnicy D i tego odcinka o ile ona się zwiększyła.

Wysokość zmniejszy się i wyniesie:

2*D – 2*D*z = 2*D – 2*D*1,3*F / ( E * D2 ) =

= 2*D – 2,6*F / ( E * D )

czyli początkowa wysokość 2*D minus to o ile walec zmniejszył wysokość.

Pole powierzchni jest sumą

powierzchni tworzącej

oraz

dwukrotnej powierzchni podstawy:

S = 2 * * D2 : 4 + D * * 2 * D = 0,25 * * D2 + * 2 * D2 =

= 2,25 * * D2

Po odkształceniu to samo pole wyniesie:

S + S = 2,25 * * ( D + * 1,3 * F / ( E * D ))2

Czyli zmiana pola wyniesie:

S = 2,25 * * ( D + * 1,3 * F / ( E * D ))2 – 2,25 * * D2

Prawda że łatwe?

Statyka – ściąga

Witam ponownie i dzisiaj stworzymy ściągę ze statyki. Tak sobie pomyślałem, że po zamieszczeniu kilkudziesięciu postów dobrze będzie zebrać do kupy to wszystko, co jest potrzebne do zrozumienia podstaw mechaniki oraz zrobienia tych prostych i tych trudniejszych zadań. W pierwszych postach pół roku wcześniej podkreślaliśmy, że najważniejsze są PODSTAWY

Mechanika – pierwsza i trzecia zasada dynamiki Newtona

i jak się je zrozumie to naprawdę niewiele więcej potrzeba, aby tę wiedzę posiąść i umieć zastosować w praktyce.

I tak powstała ściąga albo inaczej mapa myśli i zaczniemy od ściągi z mechaniki – na początek statyka:

sciaga7

 

I oto mamy ściągę ze statyki i tak naprawdę tyle potrzeba żeby temat zrozumieć i zrobić każde zadanie.

Po lewej znalazły się I i III zasady dynamiki Newtona i one są zawsze używane w statyce.

sciaga2

Pośrodku mamy tabele z układami sił i tak naprawdę każde zadanie ze statyki to jest kilka lub więcej sił ułożonych w mniej lub bardziej skomplikowany sposób.

sciaga8

 

Przykładem może być belka już uwolniona od więzów i widać reakcje podpór i parę sił zewnętrznych.

statyka5

W tabeli z różnymi rodzajami układów sił widać 4 różne kombinacje ponieważ już wiemy, że możemy mieć układy sił na płaszczyźnie lub w przestrzeni, a także siły mogą się zbiegać w jednym punkcie (zbieżne) oraz w innym przypadku siły nie będą się zbiegać w jednym punkcie (rozbieżne albo dowolne).

Jeszcze niżej na ściądze mamy 3 różne rodzaje podpór i utwierdzeń, które można spotkać w zadaniach jeżeli uwolnimy dane ciało lub układ od więzów:

sciaga9

– podpora przegubowa przesuwna

– podpora przegubowa stała

– utwierdzenie albo wmurowanie

Jak wiadomo i jak widać na powyższym obrazku zasadniczą sprawą jest różna liczba reakcji przy każdym z 3 przypadków.

Może trudno uwierzyć że to wszystko jest tak proste, ale weźmy pierwsze z brzegu zadanie z układów płaskich. Na tym prostym przykładzie pokażemy, jak łatwo jest poruszać się po temacie

statyka1

Powyżej widzimy, że mamy płaski układ sił i jak uwolnimy od więzów pudło, które leży na równi

statyka2

to widać że siły zbiegają się praktycznie w jednym punkcie i dlatego zgodnie ze ściągą

sciaga5

możemy napisać 2 równania równowagi (sumy rzutów sił na osie x oraz y), które będą zgodne z I zasadą dynamiki, ponieważ siły działające na pudło się równoważą i w związku z tym pudło pozostaje w spoczynku.

Autor zadania podał współczynnik tarcia między pudłem a równią, a więc zgodnie ze ściągą

sciaga6

jeżeli pomiędzy ciałami występuje nacisk i pudło chce zjechać z równi (zamierzony ruch), to wystąpi również siła tarcia.

Poza tym jak widać powyżej, tarcie i nacisk działające na pudło są zwrócone w górę i w lewo. Zgodnie z III zasadą dynamiki Newtona o której również wspomniano na ściądze to samo tarcie i ten sam nacisk również działają na równię pochyłą, ale będą zwrócone w przeciwne strony.

Na tym prostym przykładzie widać jak prosta jest mechanika, jak łatwa jest statyka i nie potrzeba przeczytać wszystkich książek, żeby to ogarnąć.