Wytrzymałość – zadanie 13 – skręcanie wału

Dzisiaj będzie o skręcaniu wału i poniżej mamy taki przykładowy wałshaft for torsing

Jak widać posiada on zmienną średnicę a poza tym na początkowym odcinku jest drążony. Teraz jak może wyglądać zadanie ze skręcania:skrecanie1

Wał został umieszczony pomiędzy dwiema ścianami – do lewej ściany jest on sztywno przymocowany i do prawej ściany również jest sztywno przymocowany. To przymocowanie często nazywają UTWIERDZENIEM albo WMUROWANIEM. Widać jego długości i średnice i widać również, że można go podzielić na 3 przedziały:

– lewy przedział DRĄŻONY o średnicy zewnętrznej 2*D

– drugi środkowy przekrój PEŁNY o średnicy zewnętrznej 2*D

– trzeci prawy przedział o średnicy D

Widać że na granicy pierwszego i drugiego przedziału przyłożono moment skręcający. Autor zadania chce żebyśmy narysowali wykresy momentów i naprężeń skręcających.

I teraz jak sie zabrać do takiego zadania:

 

1. Uwalniamy wał od więzów czyli ZASTĘPUJEMY ŚCIANY MOMENTAMI UTWIERDZENIA MA oraz MB. 

skrecanie2

Jak już wiadomo uwalnianie od więzów to tradycja przy wielu zadaniach z wytrzymałości.

 

2. Piszemy jakie będą momenty skręcające w poszczególnych przedziałach. I jedziemy po kolei:

Zasłaniamy większą część wału tak, żeby widzieć tylko kawałek pierwszego lewego przedziału.

skrecanie3

Widzimy tylko moment utwierdzenia w lewej ścianie:

Ms1 = MA

To samo z drugim przedziałem – odsłaniamy cały lewy przedział i kawałek drugiego – widzimy moment utwierdzenia w lewej ścianie i przyłozony momentskrecanie4

Ms2 = MA + M

To samo widać w przypadku trzeciego przedziału:skrecanie5

Ms3 = MA + M

 

3. Piszemy równanie równowagi – sumę momentów względem osi wału:

Mix = MA + M + MD = 0

Jak widać mamy równanie z dwiema niewiadomymi (momenty utwierdzenia MA i MD) a więc jest to zadanie STATYCZNIE NIEWYZNACZALNE – potrzebujemy jeszcze jedno równanie oprócz równania równowagi. Wobec tego przechodzimy do punktu czwartego:

 

4. Piszemy równanie geometryczne:

1 + 2 + 3 = 0

To znaczy dokładnie tyle, że jeżeli pierwszy przedział zostanie skręcony o 1 stopień i drugi przedział zostanie skręcony również o 1 stopień, to trzeci przedział musi się skręcić o MINUS 2 stopnie ponieważ lewa ściana i prawa ściana zawsze będą stały nieruchomo.

 

5. Liczymy biegunowe momenty bezwładności przekrojów w kolejnych przedziałach – to jest taka wielkość przekroju wałka która dotyczy skręcania i w której jest zawarta jego średnica:

Jo1 = * (2*D): 32 –  * D4 : 32 = /32 * (16*D4 – D4 ) =

/32 * 15*D4 = 15/32 * * D4

 

Jo2 = * (2*D)4 : 32 = 16/32 * * D4 = 0,5 * * D4

Jo3 = * D4 : 32

 

6. Do równania geometrycznego trzeba wmontować prawo Hooke dla skręcania. Dla kolejnych przedziałów zgodnie z prawem Hooke’a kąty skręcenia wyniosą:

 

Ms1 * L      MA * L * 32

1 = ————- = ———————–

G * Jo1    G * 15 * * D4

 

Ms2 * L     (MA+M) * L * 2

2 = ————- = ———————–

G * Jo2      G * * D4

 

Ms3 * L    (MA+M) * L * 32

3 = ————- = ————————

G * Jo3     G * * D4

 

Wszystkie 3 powyższe równania wstawiamy do równania geometrycznego:

 

MA * L * 32     (MA+M) * L * 2      (MA+M) * L * 32

—————– + ———————— + ————————- =0

G*15**D4       G * * D4          G * * D4

 

Teraz to wszystko można uprościć dzieląc obie strony przez L oraz mnożąc przez G * * D4

MA * 32/15 + (MA+M) * 2 + (MA+M) * 32 = 0

I jak opuścimy nawiasy:

MA*32/15 + MA*2 + M*2 + MA*32 + M*32 = 0

to pozostanie uprościć i tak już proste równanie:

MA*36,1 + M*34 = 0

MA*36,1 = (-M)*34

Wobec tego moment utwierdzenia w lewej ścianie:

MA = (-0,94)*M

 

7. Wstawiamy obliczony moment utwierdzenia do momentów skręcających w poszczególnych przedziałach:

Ms1 = MA = (-0,94)*M

Ms2 = MA + M = (-0,94)*M + M = 0,06*M

Ms3 = MA + M = 0,06*M

I teraz można już narysować wykres momentów:

skrecanie6

8. Obliczamy wskaźniki wytrzymałości przekrojów na skręcanie – dzielimy obliczony wcześniej biegunowy moment bezwładności przez maksymalny promień przekroju (jeżeli pierwszy przedział ma średnicę 2*D to maksymalny promień będzie D):

Wo1 = Jo1 : rmax = 0,47 * * D4 : D = 0,47 * * D3

Wo2 = Jo2 : rmax = 0,5 * * D4 : D = 0,5 * * D3

Wo3 = Jo3 : rmax = 0,031 * * D4 : (0,5*D) = 0,062 * * D3

 

9. Obliczamy naprężenia skręcające, które są iloczynem momentu przez wskaźnik:

s1 = Ms1 : Wo1 = (-0,94*M) : (0,47 * * D3 ) = (-0,64) * M/D3

s2 = Ms2 : Wo2 = 0,06*M : (0,5 * * D3 ) = 0,038 * M/D3

s3 = Ms3 : Wo3 = 0,06*M : (0,062 * * D3 ) = 0,31 * M/D3

skrecanie7

I po narysowaniu wykresów widać jak prosty jest to temat

Wytrzymałość – prawo Hooke’a dla skręcania – podstawy

O prawie Hooke dla rozciągania to już było na samym początku zabawy z wytrzymałością materiałów:

 

                        siła * długość pręta

wydłużenie = ———————————————
moduł Younga * pole przekroj

 

a teraz warto się zająć odmianą tego prawa, którą stosuje się dla skręcania:

 

                                moment skręcający * długość pręta
kąt skręcenia      = —————————————————–
G * Jo

 

gdzie:
G – moduł sprężystości postaciowej
Jo – biegunowy moment bezwładności

 

Jak spojrzymy na obie odmiany prawa Hooke’a, to teraz widać analogię pomiędzy nimi:
– kąt skręcenia odpowiada wydłużeniu,
–  moment odpowiada sile,
– moduł sprężystości postaciowej odpowiada modułowi Younga,
– biegunowy moment bezwładności odpowiada przekrojowi.

Moduł sprężystości postaciowej to jest taka właściwość MATERIAŁU, która odpowiada za jego sprężystość podczas skręcania na przykład wałka. Biegunowy moment bezwładności dotyczy przekroju poprzecznego wałka, jego kształtu oraz wymiarów.

Następnym razem zastosujemy to prawo w zadaniu ze skręcania.

Wytrzymałość – zginanie – zadanie 12 – linia ugięcia belki

Ponownie wracamy do belek, wcześniej obliczaliśmy reakcje w podporach i rysowaliśmy wykresy sił wewnętrznych.

zginanie1

Rozwinięciem poprzednich tematów jest obliczenie linii ugięcia. I co to tak naprawdę jest, bo teoria sobie ale dobrze jest wyobrazić sobie wszystko w praktyce?

Jak spojrzymy na belkę na powyższym obrazku (tą belkę już znamy z wcześniejszych zadań) to widać że jest ona obciążana różnymi siłami. Jak sobie wyobrazimy, że belka jest z materiału, który łatwo wygiąć to te obciążenia spowodują, że belka pod wpływem obciążeń nie będzie prosta tylko lekko się pokrzywi.

To jest tak, jakby ktoś złapał za 2 końce linijki i na środku położył ciężarek – linijka się wygnie.

I to równanie LINII UGIĘCIA to jest taka funkcja matematyczna, której wykres ma dokładnie taki kształt jak wygięta belka. To teraz jak to po kolei zrobić:
1. Dzielimy belke na przedziały i w każdym z nich piszemy moment gnący – to już było przy okazji rysowania wykresów, ale działamy:
Pierwszy przedział
Mg(x) = q * a² – q * x * x/2 = q * a2 – 0,5 * q * x²

Drugi przedział
Mg(x) = q * a² – q * a * (x-a/2) + 4*q*a * (x-a) =
=  q * a² – q * a * x + 0,5 * q * a² + 4 * q * a * x – 4 * q * a² =
=  q * a² – q * a * x + 0,5 * q * a² + 4 * q * a * x – 4 * q * a² =
=  3 * q * a * x – 2,5 * q * a²
2. Dla każdego przedziału piszemy równanie różniczkowe linii ugięcia:
Pierwszy przedział:
E * J * d²y/dx2 = -Mg(x)
E * J * d²y/dx2 = 0,5 * q * x² – q * a²
Dwukrotnie całkujemy równanie stronami:
E * J * dy/dx = 0,5 * q * 1/3 * x³ – q * a² * x + c1
E * J * dy/dx = q * 1/6 * x³ – q * a² * x + c1
E * J * y = q * 1/6 * 1/4 * x³ * x – q * a² * 0,5 * x² + c1 * x + d1
E * J * y = q * 1/24 * x³ * x – 0,5 * q * a² * x² + c1 * x + d1 – równanie linii ugięcia dla pierwszego przedziału

I to samo drugi przedział:
E * J * d2y/dx2 = -Mg(x)
E * J * d2y/dx2 = 2,5 * q * a²- 3 * q * a * x
E * J * dy/dx = 2,5 * q * a² * x – 3 * q * a * 0,5 * x² + c2
E * J * dy/dx = 2,5 * q * a² * x – 1,5 * q * a * x² + c2
E * J * y = 2,5 * q * a² * 0,5 * x² – 1,5 * q * a * 1/3 * x3 + c2 * x + d2
E * J * y = 1,25 * q * a² * x² – 0,5 * q * a * x³ + c2 * x + d2 – równanie linii ugięcia dla drugiego przedziału

Jak już mamy równania linii ugięcia dla obu przedziałów, to jedyne co nie wiadomo, to stałe całkowania c1, d1, c2 oraz d2.

W tym celu:
3. Piszemy warunki brzegowe.
I należy zapytać co to są warunki brzegowe, ponieważ sama ta nazwa niewiele mówi:

zginanie10

Można sobie wyobrazić, w jaki sposób belka może zostać wygięta i przykład widać na rysunku powyżej czerwona linią przerywaną:
Na pewno na prawym końcu w punkcie C belka wychodzi ze ściany i wychodzi z tej ściany poziomo, a zacznie się wyginać dopiero kawałek od ściany.
Warunkiem brzegowym jest na przykład to, że wygięta belka zawsze wychodzi ze ściany poziomo niezależnie od tego, jak zostanie pogięta przez przyłozone obciążenia. I jak to zapisać:
y=0 dla x=2*a (pierwszy warunek brzegowy) – dosłownie znaczy tyle że na prawym końcu belka się nie ugnie, bo jest wmurowana do ściany
oraz
y’=0 dla x=2*a ( drugi warunek brzegowy) – i to też można opisać dosłownie – belka wychodzi ze ściany poziomo – styczna do belki w punkcie C jest pozioma – to znaczy tyle, że pochodna funkcji opisującej linię ugięcia belki w punkcie C bedzie równa zero.
Mamy 2 warunki brz³egowe, czyli będą potrzebne jeszcze dwa i one będą dotyczyć punktu B na styku przedziału lewego i prawego.

W punkcie B koniec pierwszego przedziału styka się z początkiem drugiego przedziału, a więc ugięcie na KOŃCU pierwszego przedziału będzie takie samo jak na POCZĄTKU drugiego przedziału i zapiszemy to następująco:
y1=y2 dla x=a (trzeci warunek brzegowy)
Po drugie styczna do belki na końcu pierwszego przedziału będzie taka sama jak styczna do belki na początku drugiego przedziału:
y1’=y2′ dla x=a (czwarty warunek brzegowy).

4. Warunki brzegowe wstawiamy do scałkowanych równań różniczkowych:
Na początek bierzemy drugi warunek brzegowy
y’=0 dla x=2*a
i wstawiamy do równania różniczkowego pierwszego stopnia z drugiego przedziału (dlatego że drugi warunek dotyczy pochodnej y’ oraz dotyczy drugiego przedziału):
E * J * dy/dx = 2,5 * q * a² * x – 1,5 * q * a * x² + c2
E * J * 0 = 2,5 * q * a² * 2*a – 1,5 * q * a * (2*a)² + c2
0 = 5 * q * a³  – 6 * q * a³ + c2
0 =   (- q) * a³ + c2
Pierwsza stała całkowania dla drugiego przedziału
c2 = q * a³

Teraz bierzemy pierwszy warunek brzegowy
y=0 dla x=2*a
i wstawiamy do równania zerowego stopnia dla drugiego przedziału
E * J * y = 1,25 * q * a² * x² – 0,5 * q * a * x³ + c2 * x + d2
Wstawiamy również obliczoną przed chwilą stałą całkowania
E * J * 0 = 1,25 * q * a² * (2*a)² – 0,5 * q * a * (2*a)³ + q * a³ * 2 * a + d2
0 = 5 * q * a³ * a – 4 * q * a³ * a  + q * a³ * a  * 2 + d2
0 = 3 * q * a³ * a  + d2
Druga stała całkowania dla drugiego przedziału
d2 = (-3) * q * a³ * a

Kolejno bierzemy czwarty warunek brzegowy:
y1’=y2′ dla x=a
i przyrównujemy równania pierwszego stopnia dla obu przedziałów
q * 1/6 * x³ – q * a² * x + c1 = 2,5 * q * a² * x – 1,5 * q * a * x² + c2
wstawiając również obliczoną stałą całkowania c2:
q * 1/6 * a³ – q * a² * a + c1 = 2,5 * q * a² * a – 1,5 * q * a * a² + q * a³
(-5/6) * q * a³ + c1 = 2 * q * a³
Pierwsza stała całkowania dla drugiego przedziału
c1 = 2,8 * q * a³

I na koniec bierzemy trzeci warunek brzegowy:
y1=y2 dla x=a
i przyrównujemy równania zerowego stopnia dla obu przedziałów
q * 1/24 * x * x³ – 0,5 * q * a² * x²+ c1 * x + d1 =
= 1,25 * q * a² * x² – 0,5 * q * a * x³ + c2 * x + d2

q * 1/24 * a* a³ – 0,5 * q * a* a³ + 2,8 * q * a* a³ + d1 =
= 1,25 * q * a* a³ – 0,5 * q * a* a³ + q * a* a³ + (-3) * q * a* a³

Pierwsza stała całkowania dla drugiego przedziału
d1 = (-1,25) * q * a* a³ – 2,3 * q * a* a³ = (-3,55) * q * a* a³

Obliczone stałe całkowania wstawiamy do równań linii ugięcia:
y1 = (q * 1/24 * x * x³ – 0,5 * q * a² * x² + c1 * x + d1 ) : EJ
y2 = (1,25 * q * a² * x² – 0,5 * q * a * x³ + c2 * x + d2) : EJ

y1 = (q * 1/24 * x * x³ – 0,5 * q * a² * x² + 2,8 * q * a³ * x – 3,55 * q * a * a³ ) : EJ
y2 = (1,25 * q * a² * x²- 0,5 * q * a * x³ + q * a³ *x – 3 * q * a * a³ ) : EJ

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.