Wytrzymałość złożona – zadanie 29

Dzisiaj zrobimy kolejne i trochę nietypowe zadanie z wytrzymałości złożonej.

Wytrzymałość złożona – zadanie 23

Belkę o srednicy d i długości 2*a wmurowano w ścianę i obciążono na lewym końcu momentem skręcającym q*a² i obciążeniem ciągłym q.

zlozona13

Wiadomo, że a=10*d. Autor zadaje pytanie:

OBLICZ NAJWIĘKSZE NAPRĘŻENIE ZREDUKOWANE

Belka może być rozciągana, ścinana, zginana lub/i skręcana. W tym przypadku widać, że belka nie będzie rozciągana, ponieważ żadna siła nie działa WZDŁUŻ belki.

A jak będzie ze ŚCINANIEM:

Na odcinku AB poprzecznie do belki działa obciążenie ciągłe q. I jak to będzie w poszczególnych punktach i przedziałach? Tradycyjnie bierzemy KARTKĘ i bedziemy odsłaniać poszczególne części belki.

zlozona14

Teraz zasłaniamy tak, żeby widzieć tylko lewy koniec belki i punkt A:

TA = 0

bo tutaj jeszcze żadna siła nie działa w poprzek.

W kolejnym kroku odsłaniamy cały lewy przedział AB:

zlozona15

TB = (-q) * a

ponieważ w poprzek belki działa obciążenie q na długości a.

Następnie odsłaniamy całą belkę:

zlozona16

TBC = (-q) * a

Siła tnąca policzona, to można zrobić wykres.

zlozona17

Ścinanie załatwione – przyszła pora na ZGINANIE. Ponownie zasłaniamy tak, żeby widzieć tylko lewy koniec belki i punkt A:

zlozona14

MgA = 0

Kolejno odsłaniamy cały lewy przedział AB:

zlozona15

MgB = q*a * a/2 = 1/2*q*a2

Belkę zgina siłą q*a działającą na ramieniu a/2.

Na koniec odsłaniamy całą długość belki:

zlozona16

MgC = q*a * 1,5*a = 3/2*q*a²

Kolejno q*a to jest siła, następnie 1,5*a to jest odległość od KARTKI (punktu C) do połowy obciążenia ciągłego q. Wszystko wiadomo o momentach gnących, czyli można narysować wykres.

zlozona18

Teraz zajmiemy się SKRĘCANIEM i widać, że cała belka jest skręcana tym samym momentem q*a²:

MsAB = q*a²

MsBC = q*a²

zlozona19

To już mamy wszystkie wykresy i widać gołym okiem, że w każdym z 3 wykresów największe obciążenie występuje w punkcie C. I tutaj obliczymy naprężenia zredukowane.

Przekrój belki:

A = * d² / 4

Wskaźnik wytrzymałości przekroju na zginanie:

W = * d³ / 32

Wskaźnik wytrzymałosci przekroju na skręcanie:

Wo = * d³ / 16

Napężenia ścinające w punkcie C:

C = TBC : A = (q * a) : ( * d² / 4) = 1,3 * q * 10 * d / d² = 13 q/d

Naprężenia zginające w punkcie C:

gC = MgC : W = (3/2 * q * a²) : ( * d³ / 32) =

= (32 * 3/2 * q * a²) : ( * d³) = 15 * q * (10*d)² / d³ = 1500 q/d

Naprężenia skręcające w punkcie C:

sC = MsBC : Wo = (q * a²) : ( * d³ / 16) = (16 * q * a²) : ( * d³) =

= 5,1 * q * (10 * d)² / d³ = 510 q/d

Z hipotezy Hubera obliczymy naprężenia zredukowane, czyli takie, które łączą wszystkie naprężenia razem:

redC = √[(rc+gc)² + 3*(c+sc)²] = √ [(gc)² + 3*(c+sc)² ] =

= √ [(1500q/d)² + 3*(13q/d+510q/d)² ] = 1752q/d

Prawda że proste?

Wytrzymałość – zadanie 27 – rozciąganie – układ statycznie niewyznaczalny

No i mamy kolejne

Wytrzymałość – rozciąganie – układ statycznie niewyznaczalny – zadanie 18

ciekawe zadanie z układów statycznie niewyznaczalnych. 3 pręty połączone przegubem obciążono w tym samym przegubie siłą P.
rozciaganie10
Autor zadaje pytanie:

OBLICZ SIŁY W PRĘTACH

Tradycyjnie uwalniamy węzeł od więzów, czyli zastępujemy pręty siłami.
rozciaganie11
Jak widać, powstał układ PŁASKI ZBIEŻNY i można tutaj napisać DWA równania równowagi:
– suma rzutów na oś x
– suma rzutów na oś y

∑Pix = S2 * sinα – S3 * sinα = 0 [1]
∑Piy = S1 – P + S2 * cosα – S3 * cosα = 0 [2]

Napisaliśmy 2 równania równowagi, bo tyle można było, a niewiadomych jest 3:
S1 , S2 oraz S3
a więc tak jak już było mówione, jest to zadanie STATYCZNIE NIEWYZNACZALNE.
Wobec powyższego musimy zrobić jeszcze jedno TRZECIE równanie i w tym przypadku będzie ono związane z odkształceniami.
rozciaganie12
Na rysunku powyżej widać pręty nr 2 i 3 przed odkształceniem i po odkształceniu.

Tak jak widać, węzeł przesunął się pionowo w dół (z punktu A do punktu A’) zgodnie z kierunkiem działania siły. To pionowe przesunięcie jest równe wydłużeniu pręta nr 1 (tego pionowego).

Ze skośnymi prętami nr2 i nr3 jest troche trudniej:
Linią ciągłą widać pręty przed odkształceniem, a linią przerywaną widać pręty po odkształceniu.

Oba pręty po odkształceniu leżą POD TYM SAMYM KĄTEM, ale jak widać pręt nr 3 skrócił się, a pręt nr 2 wydłużył. Tylko teraz powstaje pytanie, o ile sie wydłużył:
Widać obok siebie pręt nr 2 przed odkształceniem i obok widać ten sam pręt po odkształceniu (linią przerywaną).

No to jak 2 pręty leżą obok siebie , to widać który jest dłuższy – dłuższy jest pręt nr 2 po odkształceniu.

Żeby było jeszcze ciekawiej , to widać o ile pręt nr 2 się wydłużył – zmienił swoją długość o ΔL2.

A najlepsze jest to że o tyle samo skrócił się  pręt nr 3:
ΔL2 = ΔL3
Można by się zapytać, dlaczego oba pręty zmieniły swoją długość o taki sam odcinek, ale też jest proste:
Bo są do siebie równoległe, przy czym każdy przypadek układu prętów należy rozpatrywać indywidualnie.
To teraz jak już mamy narysowane jak leżą i jak wydłużają się poszczególne pręty, to teraz napiszemy najprostszą zależność która wiąże poszczególne odkształcenia.

I ta TRZECIA zależność powstała przy okazji, ponieważ widzimy trójkąt prostokątny (ten czerwony), w którym przeciwprostokątną jest ΔL1, a jedną  z przyprostokątnych jest ΔL2 = ΔL3.

rozciaganie14

Jak mamy trójkąt prostokątny to z daleka już czuć TRYGONOMETRIĘ, a więc postawmy tutaj takie pytanie:
W jakiej funkcji trygonometrycznej występują te 2 boki trójkąta? Jak się tak dobrze przyjrzeć to można zobaczyć, że to będzie cosinus:

cosα = ΔL2 : ΔL1
Można to zapisać inaczej:
ΔL2 = ΔL1 * cosα

To teraz jeżeli mamy równanie, w którym są odkształcenia rozciąganych prętów, to wstawimy w to znane już prawo Hooke’a:

 

siła w pręcie * długość pręta
wydłużenie = —————————————————————————-
moduł Younga * przekrój pręta

 

S2 * L/cosα        S1 * L/cosα
——————- = ——————– * cosα
E * F                    E * F

 

S2 * L/cosα           S1 * L
——————- = —————
E * F                    E * F
Dzielimy obie strony równania przez L i mnożymy przez E*F:
S2 / cosα = S1

i to jest TRZECIE równanie, którego tak poszukiwaliśmy.

Teraz mając 3 niewiadome siły w 3 prętach i 3 równania możemy łatwo te siły obliczyć:
∑Pix = S2 * sinα – S3 * sinα = 0 [1]
∑Piy = S1 – P + S2 * cosα – S3 * cosα = 0 [2]
S2 /cosα = S1 [3]

Upraszczamy równanie [1]:
S2 * sinα = S3 * sinα
S2 = S3
i wstawiamy do [2]:
S1 – P + S3 * cosα – S3 * cosα = 0
S1 – P  = 0
Siła w pręcie nr1 wyniesie:
S1 = P

Z równania [3] wynikają siły w prętach nr2 i nr3:
S2 = cosa * S1 = S3

Prawda że łatwe?

Wytrzymałość – ściskanie mimośrodowe – zadanie 26

To tak na wstępie powiedzmy sobie, co to jest ściskanie mimośrodowe:

To jest tak, jakby ściskać prostopadłościan po przyłożeniu siły nie w środku ścianki tylko trochę z boku.

mimosodowe1

Tak jak widać na rysunku powyżej, siła jest przyłożona nie w osi prostopadłościanu, tylko lekko przesunięta.

Wymiary podstawy wynoszą a x a. Wysokość prostopadłościanu wynosi 2*a. Wartość siły wynosi F i jej punkt przyłożenia jest przesunięty w bok o odległość e wzgledem osi symetrii. Dodatkowo wiadomo, że

e = 0,25 * a

mimosrodowe2

Autor zadaje pytanie:

 

OBLICZ  MAKSYMALNE NAPRĘŻENIA NORMALNE W PRZEKROJU W POŁOWIE WYSOKOŚCI PROSTOPADŁOŚCIANU

 

Zacznijmy od tego jakie obciążenia działają na prostopadłościan:

Po pierwsze

To że jest ściskany siłą F wzdłuż wysokości, to widać ponieważ siła F działa w pionie czyli też wzdłuż wysokości.

Po drugie

Ponieważ siła F nie działa na sam środek podstawy, tylko jest przesunięta w bok o odległość e, to z tego wynika moment gnący wynoszący:

Mg = F * e

czyli siła pomnożona przez ramię – przesunięcie punktu jej przyłożenia względem środka podstawy.

 

To teraz jak do tego podejść?

 

Na początek zajmiemy się ściskaniem:

Przekrój poziomy czyli pole podstawy prostopadłościanu:

S = a2

Naprężenia rozciągające:

r = (-F) : a²

A dlatego z minusem ponieważ siła F ściska prostopadłościan wzdłuż wysokości, czyli stara się zmniejszyć jego wysokość.

 

Ściskanie załatwione to teraz kolej na zginanie:

Wskaźnik wytrzymałości na zginanie przekroju poziomego (prostokąta o wymiarach a x a ) :

W = a * a² / 6

Maksymalne naprężenia zginające:

gmax = Mg : W = F * e : [a³ / 6] = 6 * F * 0,25 * a : a³ = F * 1,5 : a²

mimosodowe3

Na powyższym rysunku widać,  to co obliczyliśmy – oba naprężenia występują jednocześnie i sumaryczne maksymalne naprężenie jest sumą obliczonych wartości:

zmax = g + r = F * 1,5 /+ F / a² = 2,5 * F /

Wytrzymałość – skręcanie – zadanie 25

Witam ponownie i dzisiaj kolejne zadanie ze skręcania.

Wytrzymałość – zadanie 13 – skręcanie wału
skrecanie8
Mamy tutaj wał o podanym przekroju i długości L.

skrecanie11

Autor zadaje pytanie:

 

OBLICZ KĄT SKRĘCENIA ORAZ MAKSYMALNE NAPRĘŻENIE SKRĘCAJĄCE

 

Po pierwsze

 

Obliczamy połozenie środka ciężkości przekroju. Ponieważ przekrój wałka ma pionową oś symetrii, to umieszczamy go w układzie współrzędnych nad osią x, tak żeby oś symetrii przekroju pokrywała się z osią y.

Mechanika – środek ciężkości – zadanie 16
skrecanie9

Współrzędna położenia środka ciężkości wyniesie:

yc = [ 0,5 * π * (2*a)² * (4*2*a / (3*π)) – 0,5*2*a*a*a/3 ] :
: [ 0,5 * π * (2*a)² – 0,5*2*a*a ] = 0,94 * a

W mianowniku mamy całkowite pole przekroju – pole półkola minus pole trójkąta. W liczniku jest po kolei:

– pole półkola razy współrzędna środka ciężkości półkola
czyli
odległość środka ciężkości od osi x
– i to samo dalej czyli minus (bo wycieli z półkola trójkąt) pole trójkąta razy współrzędna jego środka ciężkości

skrecanie10

Po drugie

 

Obliczamy momenty bezwładności przekroju na zginanie. Względem osi xc:
Jxc =  π * (4*a)4 : 128 + 0,5 *  π * (2*a)² * [ (4*2*a / (3* π) )  – 0,94*a ]² +
– [ 2*a* a³ : 36 + 0,5*2*a*a * ( 0,94*a – a/3 )² ] = 5,9 * a4

Powyżej widzimy jak zastosowano twierdzenie Steinera:

Moment bezwładności półkola

plus

jego pole

razy

odległość pomiędzy środkiem ciężkości półkola

a

środkiem ciężkości całego przekroju.

Dalej analogicznie minus i to samo co dotyczy trójkąta. Minus dlatego bo z półkola wycięto trójkąt. I to samo robimy względem osi yc:

Jyc = π * (4*a)4 : 128 – 2 * [ a * a³ : 36 + 0,5 * a * a * (a/3)² ] = 1,4 * a4

Biegunowy moment bezwładności przekroju jest sumą momentów bezwładności względem prostopadłych osi centralnych (w tym przypadku xc i prostopadły do niego yc).
Jo = Jxc + Jyc = 5,9 * a4  + 1,4 * a4  = 7,3 * a4

Maksymalna odległość przekroju od początku układu współrzędnych:
rmax = √[(0,94*a)²+(2*a)²] = a * √[0,94²+2²] = 2,2*a

Wskaźnik wytrzymałości przekroju na skręcanie:
Wo = Jo : rmax = 7,3 * a4 : 2,2 * a = 3,3 * a³

Maksymalne naprężenia skręcające to iloraz momentu przez wskaźnik wytrzymałości przekroju na skręcanie:
τs = M : Wo = M : 3,3 * a³ = 0,3 * M/a³

 

Zgodnie z prawem Hooke dla skręcania Wytrzymałość – prawo Hooke’a dla skręcania – podstawy kąt skręcenia wału wyniesie:

M * L
φ = ————- =
G * Jo

 

M * L
= ——————————- =
G * 7,3 * a4

= 0,14 * M * L / (G*a4)

Wytrzymałość – zginanie – zadanie 24

Mamy belkę opartą na 2 podporach (przegubowa stała i przegubowa przesuwna) i widać tutaj 2 przedziały.

 

zginanie21

Po pierwsze

 

Uwalniamy belkę od więzów, czyli zastępujemy siłami to wszystko, czym łączy się belka ze światem zewnętrznym. W tym przypadku są to 2 podpory przegubowe:
– przesuwna – zamiast niej rysujemy reakcję prostopadłą do 2 równoległych kresek
– stała – zamiast niej rysujemy 2 prostopadłe do siebie reakcje

 

Po drugie

 

zginanie22

Jak już uwolniliśmy belkę od więzów, to teraz liczymy reakcje. Dobrze będzie obliczyć reakcję tylko w jednej podporze, bo jak będziemy po kolei obliczać momenty gnące, to nie dojdziemy do tej drugiej podpory.

Wytrzymałość-zginanie-zadanie 10

Może to być reakcja w podporze A i w tym celu obliczamy sumę momentów względem punktu C:
∑MiC = RA*2*a – M – M – M = 0
RA*2*a = M + M + M
RA*2*a = 3 * M
Z tego wynika reakcja w podporze A:
RA = 3 * M : (2*a) = 1,5 * M/a

Po trzecie

Mając reakcję RA i pozostałe obciążenia zewnętrzne obliczamy momenty gnące w 3 charakterystycznych punktach na początku i końcu przedziałów: A, B i C.
Aby obliczyć moment w punkcie A zasłaniamy KARTKĄ prawie całą belkę tak żeby było widać tylko punkt A i sam początek belki.zginanie23

I co widać – moment skupiony w punkcie A:
MgA = M

Tak samo postępujemy z punktem B, ale poniewaz w punkcie B jest przyłozony moment, to obliczymy moment zginający belkę tuż na LEWO od punktu B

oraz drugi

tuż na PRAWO od punktu B.
W pierwszym przypadku odsłaniamy cały pierwszy przedział w taki sposób, żeby jeszcze mieć zasłonięty punkt B:

zginanie24

MgB< = M – RA*a = M – 1,5 * M/a*a = M – 1,5 * M = (-0,5*M)
czyli widzimy moment M oraz reakcję RA działającą na ramieniu a, przy czym a jest odległością od siły RA do KARTKI.

Moment M  UNOSI lewy koniec belki (dlatego jest PLUS) , reakcja RA OPUSZCZA lewy koniec belki (dlatego jest z MINUSEM).

zginanie25

Po prawej stronie punktu B (odsłaniamy cały lewy przedział oraz punkt B):
MgB> = M – RA*a + M = 2*M – 1,5 * M/a*a = 2*M – 1,5*M = 0,5*M

 

W punkcie C (odsłaniamy całą belkę mając zasłonięty tylko punkt C):

 

zginanie26
MgC = M – RA*2*a + M = M – 1,5 * M/a*2*a + M =
= 2 * M – 1,5 * M * 2 = (-M)
z momentem M sprawa wygląda analogicznie jak w punkcie B, reakcja RA działa tutaj na ramieniu 2*a. Momentu przyłożonego w punkcie C jeszcze nie widzimy, bo jest zasłonięty KARTKĄ.

 

Po czwarte

 

Teraz kolej na siły tnące (czyli te siły które działają w PIONIE w poprzek belki) i analogicznie idziemy od lewej strony:

Bierzemy kawałek KARTKI i zasłaniamy prawie całą belkę i tylko odsłaniamy kawałek lewego przedziału – widać tylko siłę RA działającą w dół.

zginanie27

TAB = (-RA) = (-1,5) * M/a
A dlatego sobie przyjęliśmy MINUS, bo siła działa w DÓŁ.

Przechodzimy do przedziału prawego czyli odsłaniamy cały lewy przedział i kawałek prawego przedziału.

 

zginanie28

Jedyna siła działająca pionowo czyli w poprzek belki to dalej jest tylko RA:
TBC = (-RA) = (-1,5) * M/a

To teraz jak obliczyliśmy momenty gnące i siły tnące, to można narysować wykresy

zginanie20

Powyżej widać oba wykresy i teraz będzie najlepsze:

Widać że wykres momentu gnącego (ten na górze) idąc od prawej do lewej cały czas opada, czyli jest to funkcja malejąca.

Pod wykresem momentu mamy wykres siły tnącej i na całej długości siła tnąca ma wartość ujemną.

I chodzi tutaj o tę zbieżność faktów:

moment gnący malejący – siła tnąca ujemna.

To samo naukowo można powiedzieć:

Siła tnąca

jest pochodną

momentu gnącego

Prawda że proste ?

Wytrzymałość złożona – zadanie 23

Na blogu było już cos na temat rozciągania, zginania, skręcania i ścinania.

Wytrzymałość-rozciąganie-zadanie 9

Wytrzymałość-zginanie-zadanie 11

Wytrzymałość – zadanie 13 – skręcanie wału

Wytrzymałość – ścinanie – zadanie 15

Jak te wszystkie obciążenia połączy się razem to dojdziemy do wytrzymałości złożonej. I żeby to prosto wyjaśnić, to na początek takie zadanie:
zlozona1
Autor pyta nas:
OBLICZ MINIMALNĄ ŚREDNICĘ d

To co widzimy na rysunku to zwyczajna KORBA  wmurowana w ścianę i składająca sie z 3 prostopadłych odcinków:
A-B
B-C
C-D

I żeby było ciekawiej, to ktoś ciągnie za koniec korby siłę F. Na tę korbę możemy spojrzeć z boku

zlozona2

Po pierwsze

 

W każdym z 3 odcinków obliczymy siłę rozciągającą (niektórzy mówią SIŁA NORMALNA), a następnie naprężenia rozciągające. Bierzemy kawałek KARTKI i zasłaniamy KORBĘ w taki sposób, żeby było widać kawałek odcinka AB.zlozona3

Teraz patrzymy , jaka siła działa WZDŁUŻ odcinka – widać że jest to siła -F:
NAB = (-F)
bo siła działa wzdłuż odcinka AB

Analogicznie postępujemy z dwoma pozostałymi odcinkami:

zlozona4
NBC = 0
bo żadna siła nie działa WZDŁUŻ odcinka BCzlozona5

NCD = (-F)
bo siła działa WZDŁUŻ odcinka CD.
Wykorzystując to co obliczyliśmy powyżej, rysujemy wykres sił normalnych.

 

Po drugie

 

W każdym charakterystycznym punkcie (tu jest mowa o punktach A, B, C oraz D) obliczamy moment zginający i naprężenia zginające. Co to jest moment to już było mówione:
MOMENT = SIŁA x RAMIĘ

Tutaj postępujemy podobnie jak przed chwilą, czyli bierzemy kawałek kartki i odsłaniamy tylko kawałeczek odcinka AB, żeby widzieć tylko punkt A i nic więcej (dalsza część KORBY jest zasłonięta przez kartkę).zlozona6

I co widzimy – siła (-F) trafia dokładnie na punkt A czyli nie daje momentu względem punktu A:
MgA = 0

Analogicznie postępujemy z kolejnymi punktami:zlozona7
MgB = 0
siła przechodzi przez punkt B

ZLOZONA8

MgC = (-F) * L
bo siła działa względem punktu C na ramieniu L które jest PROSTOPADŁE do siły.zlozona9

MgD = (-F) * L
bo siła działa względem punktu C na ramieniu L które jest PROSTOPADŁE do siły.
Momenty gnące obliczone a więc rysujemy wykres.

 

Po trzecie

 

Sprawdzamy, czy siła powoduje skręcanie któregoś odcinka.

Do odcinka AB i do odcinka BD siła jest RÓWNOLEGŁA i dlatego tu skręcania nie ma.

Siła PRZECINA odcinek BC i dlatego tutaj też nie ma skręcania.

 

Po czwarte

 

Sprawdzamy po kolei każdy odcinek, czy siła powoduje ścinanie.
Siła ścina dany odcinek jeżeli działa PROSTOPADLE do tego odcinka. Widać że to nie wystąpi w pierwszym przedziale:

zlozona3

TAB = 0

Do drugiego odcinka siła jest PROSTOPADŁA, a więc ścinanie występuje:

zlozona4

TBC = -F

Ostatni odcinek CD nie będzie ścinany:

zlozona5

TCD = 0
i rysujemy wykres sił tnących.

Ponieważ nie mamy skręcania, więc jeżeli spojrzymy jednocześnie na 3 wykresy:

zlozona12

– siły normalnej N
– siły tnącej T
– i momentu gnącego Mg
to widać gołym okiem, że maksymalne wartości dla wszystkich 3 wykresów występują w punkcie C. Wobec tego trzeba obliczyć naprężenia rozciągające, tnące i zginające w punkcie C dla przedziału DRUGIEGO oraz dla przedziału TRZECIEGO.
Dla pręta o średnicy d przekrój wyniesie:

A = π * d² / 4

Naprężenia rozciągające w punkcie C przedziału trzeciego to iloraz siły rozciągającej i przekroju pręta:
σrC3 = N : A = 4 * (-F) : (π * d²)

 

Naprężenia tnące w punkcie C przedziału drugiego to iloraz siły ścinającej i przekroju pręta:
τC2 = T : A = 4 * (-F) : (π * d²) = 1,3 * (-F) : d²

 

Wskaźnik wytrzymałości na zginanie dla pręta o średnicy d:
W = π * d³ : 32
Naprężenia zginające w punkcie C to iloraz momentu gnącego i wskaźnika wytrzymałości przekroju na zginanie:
σgC = MgC : W = 32 * (-F) * L : (π * d³) = 10,2 * (-F) * L : d³

 

Jeżeli są już policzone wszystkie naprężenia w punkcie C, to obliczamy naprężenia zredukowane czyli takie które łączą w sobie wszystkie rodzaje naprężeń. W punkcie C przedziału drugiego:
σredC2 = √[(σr+σg)² +3*( τs + τ )²]
To co powyżej to jest ogólny wzór w którym:
σr – naprężenia rozciągające
σg – naprężenia zginające
τs – naprężenia skręcające
τ – naprężenia ścinające
σredC2 =√[σg² +3*τ² ]
Teraz widać, że zginęły naprężenia rozciągające i skręcające, ponieważ w drugim przedziale nie ma rozciągania i nie ma skręcania.
σredC2 = √[σgC2² +3*τD2² ]  =
=√[(10,2*F*L:d³)² +3*(1,3*F:d² )² ]  =
= F/d2 * √[(10,2*L/d)² +3*(1,3)²]

Analogicznie postępujemy z punktem C przedziału trzeciego i tutaj nie będzie naprżeń tnących, ale pojawią się rozciągające:
σredC3 = √[(σr+σg)² +3*(τs+τ)² ] =
= √[(σrC3+σg)²] = σrC3 + σgC =
= 4 * F : (π * d ²) + 10,2 * F * L : d³ =
= 1,3 * F :  d² + 10,2 * F * L : d³ =
= F/d² * (1,3 + 10,2 * L / d)
I dalej to już jest zwykła matematyka:
Średnica d która spełnia oba powyższe równania jest minimalną średnicą pręta

Wytrzymałość – rozciąganie – układ statycznie niewyznaczalny – zadanie 18

Tutaj mamy zadanie z układem statycznie niewyznaczalnym, gdzie do poziomej sztywnej belki przymocowano przegubowo 2 odkształcalne pręty, z których jeden jest pionowo, a drugi leci pod kątem.
rozciaganie6
Co ciekawe to oba pręty przymocowano do tego samego punktu sztywnej belki, ORAZ po zmontowaniu skośny pręt podgrzano o temperaturę ΔT. Autor zadaje pytanie:

OBLICZ SIŁY W PRĘTACH

Gołym okiem widać, że jak się podgrzeje skośny pręt to on sie wydłuży i bedzie za długi żeby całość zachowała początkowe wymiary.

Po pierwsze
Uwalniamy układ od więzów czyli zastępujemy pręty i podporę przegubową siłami.
rozciaganie7
Po drugie
Piszemy równania równowagi.

Mechanika – statyka – zaczynamy od podstaw

ΣPix = S2 * sin45º – Rx = 0
ΣPiy = Ry – S1 – S2 * cos45º = 0
ΣMiB = S1 * L + S2 * cos45º * L = 0
Jak widać mamy 3 równania i 4 niewiadome ( Rx , Ry , S1 , S2 ) a więc potrzebne jest dodatkowe równanie geometryczne.

Po trzecie
Zakładamy w jaki sposób belka obróci się względem punktu B po podgrzaniu skośnego pręta.
Wiadomo, że jak skośny pręt się podgrzeje, to się wydłuży i będzie sie starał podnieść DO GÓRY prawy wolny koniec belki. Wtedy belka obróci się o niewielki kąt względem osi obrotu (punkt B). I tutaj jest ważne założenie:

PUNKT MOCOWANIA PRĘTÓW (tutaj punkt C) PRZEMIEŚCI SIĘ PO PROSTEJ PROSTOPADŁEJ
DO
LINII ŁĄCZĄCEJ PUNKT MOCOWANIA PRĘTÓW  (tutaj punkt C)
Z OSIĄ OBROTU BELKI (tutaj punkt B).

I teraz jest najlepsze:

Odległość CC’ wynosi tyle ile wydłużył się pionowy pręt czyli:
CC’ = ΔL1

Ze skośnym prętem będzie trochę trudniej ponieważ leci on po skosie a po drugie to jest podgrzewany. I to jest tak że skośny pręt pod wpływem temperatury (albo zmiany temperatury) wydłuży się o ΔLt:

ΔLt = ΔT * a * √2   * L

ale do tego wydłużonego skośnego pręta drugi pionowy pręt będzie za długi i teraz zajdzie zajdzie ciekawe zjawisko:
– pionowy pręt trochę się wydłuży
– skośny pręt ( wcześniej wydłuzony o ΔLt ) troche  się  skróci aby oba prety mogły się  spotkać w jednym miejscu – punkcie mocowania prętów do belki (punkt C’)
rozciaganie8
Na powyższym rysunku widzimy dwa skośne pręty:
– zielony PRZED odkształceniem
– i ten sam ale niebieski – PO odkształceniu

I teraz wyszło że powstał trójkąt w którym:
– jeden z boków odpowiada ΔLt-ΔL2
– drugi z boków odpowiada przemieszczeniu punktu C czyli CC’
– kąt 45º odpowiada połozeniu skośnego pręta
rozciaganie9
Jak się narysuje ten trójkąt większy , to więcej widać i widać też że można tu zastosować najprostszą trygonometrię:
cos45º = (ΔLt – ΔL2) / CC’
a można to zapisać tak:
cos45º * CC’ = ΔLt – ΔL2

 

Po czwarte
I teraz w to można i trzeba wmanewrować prawo Hooke

Wytrzymałość materiałów-ponownie podstawy

 

siła w pręcie  x  długość pręta
wydłużenie = ——————————————————————————-
moduł Younga  x  przekrój

 

i dla pręta skośnego wydłużenie mechaniczne będzie wyglądac w następujący sposób:

 

                  S2  * √2   *  L

ΔL2 = —————————————————————————

E  *  A

 

a dla pręta pionowego którego wydłużenie równa się przemieszczeniu punktu CC’:

 

               S1   *  L

ΔL1 = ———————————————————————————–

E  *  A

 

I to wszystko można teraz wstawić do wzoru na cos45º :

cos45º * CC’ = ΔLt – ΔL2

cos45º * S1*L / (E*A) = ΔT*a * √2  * L – S2 * √2  * L / (E*A)

Dzielimy obie strony przez L i mnożymy przez E*A:

0,5 * √2 * S1 = ΔT * a * √2 * E * A – S2 * √2

Dzielimy przez pierwiastek z 2:

0,5 * S1 = ΔT * a * E * A – S2

Jak się wyliczy S1 z trzeciego równania statycznego na sumę momentów:
S1*L + S2 * cos45º * L = 0
S1 + S2 * cos45º = 0
S1 = (-S2) * cos45º

i wstawi do równania geometrycznego:

0,5 * (-S2) * cos45º = ΔT * a * E * A – S2

To można obliczyć siłę w pręcie skośnym:
(-0,35) * S2 = ΔT * a * E * A – S2
0,65 * S2 = ΔT * a * E * A
S2 = 1,5 * ΔT * a * E * A

I również z równania na sumę momentów wyliczamy siłą w pręcie pionowym:
S1 = (-S2)*cos45º = (-1,5) * ΔT * a * E * A * cos45º =
= (-1,1) * ΔT * a * E * A