Mechanika – podstawy – II zasada dynamiki dla ruchu obrotowego

I tak ponownie wracamy do podstaw, ponieważ o tych podstawach zdarza nam się zapominać. O zasadach dynamiki było już na samym początku i o II zasadzie również. Tylko że wtedy było to odniesione do ruchu postępowego:

F = m * a [1]

czyli jeżeli na ciało o masie m działa siła F, to to ciało jedzie z przyspieszeniem a.

 

A jak to będzie w przypadku ruchu obrotowego:

M = J * 

czyli jeżeli na ciało o masowym momencie bezwładności J działa moment M, to ciało obraca się z przyspieszeniem kątowym .

Jak patrzymy na wzór [1] i [2] to siłę F zamieniono na moment M (przy ruchu obrotowym sile odpowiada moment), zamiast masy jest masowy moment bezwładności, a zamiast przyspieszenia liniowego mamy przyspieszenie kątowe. I to właściwie tyle jeżeli chodzi o uzupełnienie II zasady dynamiki Newtona.

Statyka – podstawy – dodawanie wektorów pod różnymi kątami

Drobna wzmianka na temat sumy wektorów pojawiła się przy okazji rozkładu siły na składowe

statyka11

tylko, że to było proste, ponieważ mieliśmy 2 wektory do siebie prostopadłe.

Innym razem może się zdarzyć że trzeba dodać 2 wektory ustawione względem siebie o kąt . I co wtedy:

statyka6

Mamy 2 wektory i ustawiamy je w taki sposób, żeby ich początki były w jednym punkcie.

statyka7

Jak oba wektory wychodzą z jednego punktu, to tworzą 2 boki równoległoboku. Przekątna tego równoległoboku wychodząca z tego samego wierzchołka, co 2 dodawane wektory jest sumą tych wektorów.

statyka8

To wiemy już jak to narysować, a teraz jak obliczyć wartość sumy wektorów czyli długość tej przekątnej?

Jak dodajemy dwie siły i któraś z nich leci pod kątem, to tą siłę która jest pod kątem rozkładamy na 2 składowe (pionową i poziomą) – o tym już niedawno pisaliśmy.

statyka9

To teraz widzimy 2 składowe siły F1 oraz siłę F2. Następnie wszystkie składowe poziome dodajemy do siebie i wszystkie składowe pionowe też dodajemy do siebie (wyjątkowo w tym przypadku:

– w poziomie są 2 siły

– i w pionie jest jedna siła).

statyka10

I teraz to się zrobiło jeszcze łatwiejsze:

Składowe poziome leżą na jednym boku, a składowe pionowe leżą na drugim przyległym boku prostokąta. Teraz widać, że suma wektorów jest przekątną prostokąta i można ją obliczyć w taki sam sposób jak przy sumie 2 wektorów prostopadłych do siebie:

statyka12

Kinematyka-przyspieszenie styczne i normalne – przypomnienie podstaw

O tym już było przy okazji zadań z ruchu płaskiego, ale zanim przejdziemy do trudniejszych, to warto przypomnieć jedną z podstaw kinematyki:

Wyobraźmy sobie, że pojazd jedzie po drodze i wjeżdża w zakręt o promieniu R i z prędkością V i wtedy MOGĄ wystąpić 2 różne przyspieszenia:

kinematyka3

– styczne

– i normalne

Przyspieszenie styczne pt (jak wskazuje jego nazwa) jest STYCZNE do łuku drogi, po której jedzie. Jest ono równe pochodnej prędkości po czasie

pt = dV/dt

a znaczy to tyle, że jeżeli prędkość się NIE ZMIENIA to przyspieszenie styczne jest równe ZERO.

Przyspieszenie normalne pn jest zwrócone do środka łuku, po którym pojazd jedzie i jest ono równe:

pn = V2 : R

Całkowite przyspieszenie punktu jadącego po łuku jest sumą obu wektorów przyspieszeń czyli stycznego i normalnego.

Wytrzymałość – uogólnione prawo Hooke’a – ponownie podstawy

 Ten temat mieści się pośrednio w temacie rozciągania, ponieważ prawo Hooke’a słusznie kojarzone z wydłużeniem pręta:

 

                               siła * długość pręta

wydłużenie = ———————————————–

    moduł Younga * pole przekroju

 

dotyczy zmiany wymiaru w JEDNYM kierunku – długości.

Przy drobnej modyfikacji powyższego prostego wzoru można nim opisać zmianę wymiarów elementu odkształcalnego w 3 prostopadłych kierunkach.

A tak mówiąc prostymi słowami to jak weźmiemy kawałek plasteliny, położymy na stole i naciśniemy na nią, to ona się spłaszczy, ale jednocześnie rozejdzie się na boki. Czyli zmniejszy się jej wysokość, ale zwiększy szerokość i długość. To teraz weźmy ponownie prawo Hooke’a:

 

S * L

L    =   ————————–

E * F

 

Jak podzielimy obie strony przez L:

 

L              S

 = ———–

L                 E * F

I teraz można zapisać L/L jako wydłużenie względne:

L/L =

i wstawić do równania powyżej:

 

S

= ————–

E * F

 

I można przypomnieć że siła podzielona przez przekrój daje naprężenie:

S/F =

I ponownie wprowadzamy to do równania powyżej (prawa Hooke’a):

= / E

I to co dostaliśmy to dalej dotyczy JEDNOKIERUNKOWEGO stanu naprężenia czyli na przykład rozciągania pręta. A teraz jak to będzie wyglądało dla naciskania i rozpłaszczania kawałka plasteliny czyli TRÓJKIERUNKOWEGO stanu naprężenia:

x = x/E – *y/E – *z/E

I to dotyczy osi x i prostopadłych do niej z oraz y. Pierwszy składnik jest identyczny jak dla JEDNOKIERUNKOWEGO stanu naprężenia. Drugi i trzeci składnik poprzedzony MINUSEM dotyczy odkształceń w kierunkach prostopadłych do osi x (i dlatego tu jest minus, bo jak ściśniemy plastelinę, to ona się spłaszczy-zmniejszy się wymiar i jednocześnie rozejdzie na boki-2 prostopadłe wymiary się zwiększą).  I tu się pojawia tajemnicze oznaczenie:

– stała Poissona

i to jest taka liczba, inna dla każdego materiału, która opisuje ile dany materiał rozpłaszczy się na boki, jak go naciśniemy z góry (stąd ten przykład z rozgniataniem kawałka plasteliny). Analogiczna sytuacja wystapi dla 2 pozostałych osi:

y = y/E – *x/E – *z/E

z = z/E – *x/E – *y/E

Następnym razem zrobimy proste zadanie z tego tematu.

Wytrzymałość-zginanie-zadanie 11

Witam ponownie i ponownie będziemy działać z belką z poprzedniego wpisu, ale tym razem inną, trudniejszą i GORSZĄ metodą.zginanie1

Wymiary belki i obciążenia są te same i to samo jest pytanie:

NARYSOWAĆ WYKRESU MOMENTU GNĄCEGO I SIŁY TNĄCEJ

Tak samo mamy 2 przedziały i w pierwszym przedziale x zawiera się w przedziale od 0 do a. A jak się zawiera od 0 do a, to może przyjąć każdą wartość z tego przedziału. A więc zasłaniamy kartką (TEN CZERWONY PROSTOKĄT-KOPERTA) i  odsłaniamy tylko tyle belki z lewej strony, żeby widzieć całą tą wartość dla pierwszego przedziałuzginanie8

Czyli widzimy od lewej strony tylko belkę o długości x. Liczymy moment, jaki działa na kartkę:
Mg(x) = q * a² – q * x * x/2
Pierwsza pozycja jest bardzo przejrzysta bo jest to moment przyłożony na lewym końcu, a druga pozycja to siła razy ramię – siła to q*x (obciążenie ciągłe razy długość na której ono działa) a ramię to odległość od KARTKI do POŁOWY widocznej części obciążenia ciągłego.

zginanie9

Analogicznie przechodzimy do drugiego przedziału. Tutaj zmienna x może wynosić od a do 2*a:
Mg(x) = q * a² – q * a * (x-a/2) + 4*q*a * (x-a)
Druga pozycja to siła q*a (obciążenie ciągłe razy długość na której ono działa – teraz widzimy całe obciążenie ciągłe q) razy ramię czyli odległość od KARTKI do POŁOWY widocznego obciążenia ciągłego.

I w ten sposób policzyliśmy momenty gnące w zależności od x i jak teraz się podstawi odpowiednie wartości takie jak 0, a oraz 2*a to wyjdzie to samo co przy pierwszej metodzie, ale w trochę bardziej zagmatwany sposób, na przykład dla pierwszego przedziału dla x=0 czyli dla punktu A:
Mg(x=0) = q * a² – q * x * x/2 = q * a2 – q * 0 * 0/2 = q * a²
teraz gołym okiem widać że wychodzi to samo co przy pierwszej metodzie:
MgA = q * a²

Dla punktu B:
Mg(x=a) = q * a² – q * a * a/2 = q * a2 – 0,5*q * a2 = 0,5*q * a²

Dla punktu C:
Mg(x=2*a) = q * a² – q * a * (x-a/2) + 4*q*a * (x-a) =
= q * a² – q * a * (2*a-a/2) + 4*q*a * (2*a-a) =
= q * a² – q * a * 1,5*a + 4*q*a * a = 3,5*q * a²zginanie5

Podobnie drugi GORSZY sposób wygląda dla sił tnących. Dla pierwszego przedziału podobnie zakrywamy kartką i odsłaniamy tyle żeby widzieć lewy koniec belki o długości x. I jakie siły (poprzeczne do belki czyli pionowe) widzimy:

zginanie8
T(x) = (-q) * x

Tylko obciążenie q o długości x.

Dla drugiego przedziału:

zginanie9
T(x) = (-q) * a + 4*q*a = 3*q*a

Podstawiając wartości x dla charakterystycznych punktów. Dla punktu A:
T(x=0) = (-q) * x = (-q) * 0 = 0

Dla punktu B z lewej strony:
T(x=a) = (-q) * a

Dla punktu B z prawej strony:
T(x=a) = 3*q*a

Dla punktu C:
T(x=2*a) = 3*q*a

zginanie7
Jak widać, w pierwszej metodzie wyszło dokładnie to samo.

Wytrzymałość-zginanie-zadanie 10

Witam ponownie i przy okazji mechaniki było coś na temat belek ale tutaj będzie trzeba obliczyć momenty gnące, siły tnące i narysować wykresy. Ale po kolei:

Mamy belkę wmurowaną ścianę i obciążoną momentem, siłą i obciążeniem ciągłym. I widać tutaj 2 przedziały : od punktu A do B i od B do C.zginanie1

Ponieważ reakcje w ścianie są na końcu belki, to nie ma sensu ich obliczać i w tym konkretnym przypadku wyjątkowo możemy nie uwalniać belki od więzów. 

I jedziemy od lewej strony:

Obliczamy momenty gnące w 3 charakterystycznych punktach na początku i końcu przedziałów: A, B i C.

Aby obliczyć moment w punkcie A zasłaniamy prawie całą belkę tak żeby było widać tylko punkt A i sam początek belki.

zginanie2

I co widać – moment skupiony w punkcie A:

MgA = q * a2

Tak samo postępujemy z punktem B – odsłaniamy tylko punkt B i wszystko co jest na lewo od niego.

zginanie3

Oprócz momentu skupionego w punkcie A pojawia się obciążenie ciągłe:

MgB = q * a² – q * a * a/2 = 0,5*q*a²

i teraz po kolei druga część czyli siła od obciążenia ciągłego q*a razy ramię a/2 czyli odległość połowy (obciążenia ciągłego q) do punktu B. A z tymi znakami to jest tak, że q*a² jest na plusie, bo próbuje PODNIEŚĆ koniec belki, a obciążenie ciągłe jest na minusie, bo chce OPUŚCIĆ koniec belki. Mówiąc inaczej q*a² kręci ZGODNIE ze wskazówkami zegara, a obciążenie ciągłe kręci PRZECIWNIE do zegara.

I dochodzimy do ściany czyli prawie do punktu C odsłaniając całą belkę oprócz punktu C. To tak jakbyśmy chcieli złapać za sam prawy koniec BELKI przy samej ścianie.

zginanie4

MgC = q * a² – q * a * 1,5*a + 4*q*a * a = 3,5*q*a²

Po kolei idąc to pierwsza cząstka pozostaje bez zmian i dalej siła od obciążenia ciągłego działa teraz na ramieniu 1,5*a, bo odległość ściany od środka obciążenia ciągłego jest 1,5*a. Siła 4*q*a działa na ramieniu a.

Rysujemy to co obliczyliśmy i poniżej powstał wykres momentu zginającego:

zginanie5

Teraz kolej na siły tnące i analogicznie idziemy od lewej strony:

zginanie2

TA = 0

Zasłaniamy prawie całą belkę i tylko odsłaniamy kawałek lewego przedziału tuz przy punkcie A – widać że żadna siła nie działa w poprzek belki (czyli w pionie-siła tnąca).

Przechodzimy do punktu B z lewej strony czyli odsłaniamy cały lewy przedział w taki sposób, aby nie było widać punktu B:

zginanie6

TBL = -q * a

Jedyna poprzeczna do belki siła (siła tnąca czyli w poprzek belki) którą widzimy to siła od obciążenia ciągłego q. A dlatego sobie przyjeliśmy minus, bo siła działa w dół.

Przemieszczamy się kawałek w prawo, aby było widać cały lewy przedział oraz punkt B i wtedy widać siłę tnącą z prawej strony punktu B:

zginanie3

TBP = -q * a + 4*q*a = 3*q*a

Oprócz obciążenia ciągłego w poprzek belki działa jeszcze 4*q*a.

Przesuwamy się jeszcze dalej w prawo aż dojdziemy prawie do ściany czyli tuż na lewo od ściany:

zginanie4

TC = -q * a + 4*q*a = 3*q*a

Rysujemy to co obliczyliśmy i powstał wykres siły tnącej:

zginanie7

I to jest pierwsza metoda, a w kolejnym odcinku trochę inna i trudniejsza metoda

 

Wytrzymałość-rozciąganie-zadanie 9

Mamy kolejne trudniejsze zadanie z rozciągania

rozciaganie2

To teraz trzeba jasno powiedzieć, jak to działa:
Pozioma sztywna belka (to poziome najgrubsze od punktu A do punktu B) ma oś obrotu w połowie długości w punkcie O (podpora PRZEGUBOWA STAŁA). Do obu końców belki w punktach A i B przymocowano 2 PRĘTY ( na przykład cienkie druty). Lewa linka leci pionowo do samej ziemi i tam jest przymocowana. Prawa linka idzie pod kątem 60 stopni do poziomu i też jest przymocowana do ziemi. Tylko jak dobrze widać, to prawa linka jest dłuższa, bo leci pod kątem. I do belki sztywnej przyłożono moment M, czyli ktoś próbuje kręcić belką przeciwnie do wskazówek zegara. I tu trzeba położyć akcent na PRÓBUJE KRĘCIĆ ponieważ te 2 cięgna nie pozwalają i utrzymują belkę prawie że w poziomie. A dlaczego prawie:
Ponieważ zgodnie z prawem Hooke’a cięgna trochę zmienią długość i belka MINIMALNIE odchyli się od poziomu.

Jak wiadomo, jak to wszystko działa, to uwalniamy belkę sztywną od więzów, czyli zastępujemy cięgna i podporę przegubową siłami:

rozciaganie3

W podporze są dwie reakcje bo jest to podpora PRZEGUBOWA STAŁA.
Piszemy równania równowagi, a będą ich TRZY, ponieważ jest to układ sił PŁASKI ROZBIEŻNY (rozbieżny bo wszystkie siły nie zbiegają się w jednym punkcie)
ΣPix = Rx + S2*cos60stopni = 0 [1]
ΣPiy = (-S1) – Ry – S2*sin60stopni = 0 [2]
ΣMio = M + S1*l – S2*sin60stopni * l = 0 [3]
Jak widać są trzy równania i cztery niewiadome – a więc mamy zadanie STATYCZNIE NIEWYZNACZALNE. Potrzebne jest kolejne równanie, w tym przypadku przeprowadzimy analizę odkształceń.

rozciaganie4

Rysujemy sobie belkę w 2 położeniach:
– przed odkształceniem – to jest to poziome zaczynające się w punkcie A przechodzące przez O i dochodzące do B
– po odkształceniu – to co jest pod kątem i przechodzi przez punkt O

W tym miejscu należy postawić dwa założenia:
– po pierwsze punkt A nie porusza się po łuku tylko po prostej AA’ (i tak samo jest z punktem B)
– po drugie kąt pręta 2 (tego prawego) do poziomu nie zmienia się po odkształceniu – jak było 60° do poziomu, tak również jest 60° do poziomu po odkształceniu – i to jak widać powyżej, widzimy 2 równoległe pręty – pręt przed odkształceniem i pręt po odkształceniu

Z twierdzenia Talesa:

l          l
—- = ——-
Δl1    BB’

Z trójkąta BB’C:

sin60° =  Δl2 / BB’

BB’ = Δl2 / sin60°

Wprowadzając do równania z twierdzenia Talesa:

l                  l
—– = ——————
Δl1       Δl2/sin60°

Jeżeli ułamki są równe to ich mianowniki też są równe:
Δl1 = Δl2/sin60°

Zmiany długości prętów Δl1 i Δl2 obliczamy z prawa Hooke’a:

          S1 * l
Δl1 = ———-
E * F

         S2 * l2
Δl2 = ————
E * F

gdzie: l2- długość pręta 2

sin60° = l / l2

l2 = l / sin60°

     S2 * l
Δl2 = ——————-
E*F*sin60°

Wracając do twierdzenia Talesa:

S1*l            S2 * l
——– = ——————-
E*F         E*F*sin60°

Dzielimy obie strony powyższego równania przez l i mnożymy przez (E*F)
S1 = S2/ sin60°

Powstało [4] równanie obok [1] [2] i [3] i można obliczyć wszystkie niewiadome S1 , S2 , Rx , Ry.

Rx + S2 * cos60° = 0 [1]
(-S1) – Ry – S2 * sin60° = 0 [2]
M + S1*l – S2*sin60° * l = 0 [3]
sin60° * S1 = S2 [4]

Wstawiamy równanie [4] do [3]:
M + S1*l – sin60° * S1*sin60° * l = 0 [3]
M + S1*l*(1-sin60°) = 0 [3]
M = S1*l*(sin60° – 1) = S1 * l * ( -0,25 ) [3]
Z tego obliczymy siłę w lewym pręcie:
S1 = (-4*M) : l
I na koniec z równania [3] obliczymy siłę w prawym skośnym pręcie:
M + S1*l = S2*sin60°*l
S2 = M : ( l*sin60° ) + S1: ( sin60° ) =
= M : ( l*sin60° ) + (-4*M) : ( l * sin60° ) = (-3*M) : ( l*sin60° )=
= (-3,5*M) : l