Несущее, сдвиговое и разрывное напряжение: что они собой представляют и чем они отличаются?

Инженеры собирают крупное промышленное оборудование и здания, а любители делают то же самое, но для гораздо меньших объектов. Независимо от масштаба, на эти тела действуют одни и те же силы: гравитация, трение, внешние силы и возникающие напряжения, возникающие в результате их взаимодействия. Обладая более глубоким пониманием этих сил, вы можете подходить к своим сборкам и проектам гораздо более стратегически — даже если вы просто собираете простую книжную полку или прикроватную лампу.

В этой статье мы рассмотрим при трех типах сил: опоре, сдвиге и разрывном напряжении. Эти типы напряжений похожи в том, что они возникают, когда два объекта находятся в контакте или скреплены друг с другом. Очевидно, между ними также есть несколько различий.

Что вызывает напряжения в неподвижных объектах?

Прежде чем мы перейдем к обсуждению, давайте сначала определим напряжение как просто отношение любой силы, действующей на объект, и площади поперечного сечения, на которую действует сила. Во многих отношениях стресс во многом похож на давление, но, как правило, стресс — это более всеобъемлющий термин, используемый в инженерии. Разобравшись с этим определением, давайте сосредоточимся на чем-то менее абстрактном — на силах.

Вам может быть интересно: какие силы могут действовать на объект, который даже не движется? Что ж, объект не обязательно должен находиться в движении, чтобы его можно было рассматривать как подверженный действию сил. Если объект статичен, это просто означает, что силы уравновешиваются или что тело находится в равновесии. Помимо этого, какие силы необходимо учитывать при создании проекта?

1. Гравитация и нормальная сила

Каждый объект имеет вес, и должен быть другой объект, поддерживающий этот вес. В случае с людьми земля поддерживает наш вес, где бы мы ни ходим и стоим, при этом земля оказывает равную и противоположную силу, чтобы удерживать нас в устойчивости. Эта равная и противоположная сила называется нормальной силой и является одной из самых фундаментальных сил, которые необходимо учитывать при создании любого проекта.

Напряжение, которое одно тело оказывает на другое, не ограничивается единственная точка. Вместо этого вес распределяется по всей поверхности контакта между двумя телами. То, как распределяется вес, зависит от формы рассматриваемых объектов — редко вес распределяется равномерно по площади контакта. Величина, распределение и направление этой силы, обусловленной гравитацией, и возникающая в результате нормальная сила играют огромную роль в определении многих напряжений, действующих на два соприкасающихся тела.

2. Сила трения

Когда любой объект, соприкасающийся со статическим телом, начинает двигаться, ему необходимо преодолеть силу трения, действующую в направлении, противоположном движению. Эта сила определяется коэффициентом трения материалов объектов, но также прямо пропорциональна нормальной силе, которую одно тело оказывает на другое.. По сути, более тяжелый предмет создает более сильное трение, затрудняя движение.

Если вам когда-либо приходилось толкать тяжелый предмет без колес по полу, вы могли заметить, что получение тела для движения требуется больше усилий, чем для того, чтобы удерживать его в движении после начала движения. Это потому, что есть два разных коэффициента трения: статический коэффициент и кинетический коэффициент. Чтобы заставить тело двигаться, вам нужно приложить достаточно силы, чтобы преодолеть силу статического трения. Как только тело начинает двигаться, на него действует кинетическая сила трения. Почти во всех случаях сила статического трения значительно превышает кинетическую силу трения.

3. Внешние силы

Если вы создаете проект, который будете просто отображать на полке или столешнице, то все, о чем вам нужно беспокоиться, это силы, обусловленные его собственным весом. Однако, если вы будете постоянно перемещать объект или использовать его для поддержки нагрузки, вам придется учитывать влияние этих внешних сил на целостность вашего проекта.

Нет единого определения о том, что такое внешняя сила. Это может быть груз, подвешенный к консольной балке, толчок человека, открывающего дверь, или центростремительная сила, испытываемая вращающимся объектом. Более важно понять, что любая внешняя сила, действующая на объект, влияет на величину и направление сил, испытываемых всеми частями этого объекта, включая фланцы и кронштейны. Позже мы увидим более конкретные примеры этого явления.

Что такое напряжение сдвига?

Напряжение сдвига определяется как напряжение, возникающее в результате сил, действующих параллельно поверхности объекта. Классическим и наиболее распространенным примером напряжения сдвига является напряжение, вызванное силами трения. Чтобы легко представить себе, как ощущается напряжение сдвига, просто потрите руки вместе или проведите рукой по столу. Сопротивление, которое вы чувствуете при движении рукой, — это напряжение сдвига.

Если объект не может двигаться, потому что он зафиксирован на месте, это означает, что напряжение сдвига, возникающее на одной стороне объекта, увеличивается. ему противодействует напряжение сдвига равной величины, действующее в противоположном направлении с другой стороны объекта. Вы можете представить это как две равные силы, разрывающие объект.

Если противоположные напряжения сдвига достаточно сильны, они могут привести к деформации объекта или его искажению. В идеальных условиях деформация из-за напряжения сдвига просто изменяет геометрию объекта без изменения его объема. Насколько хорошо объект сопротивляется этой деформации, зависит от материала и геометрии объекта. Чтобы представить это сопротивление деформации из-за напряжения сдвига, каждый объект имеет уникальное значение модуля сдвига..

Чтобы количественно оценить напряжение сдвига, которое испытывает тело, вам нужно только получить отношение силы сдвига, действующей на тело, и всей площади поверхности, параллельной силе сдвига. В большинстве случаев эта параллельная площадь поверхности может быть довольно большой, что приводит к низким значениям напряжения сдвига.

Напряжение сдвига не ограничивается двумя телами, соприкасающимися друг с другом. В трубе, содержащей движущуюся жидкость, точка контакта между трубой и жидкостью испытывает почти постоянное напряжение сдвига. Величина этого напряжения сдвига определяется вязкостью жидкости и скоростью, с которой она течет.

Что такое напряжение опоры?

Напряжение опоры — это тип напряжения, связанный с сжимающим нормальным напряжением, которое тело испытывает всякий раз, когда оно контактирует с другое тело в условиях равновесия. Однако напряжение опоры — это особый термин, который применяется к элементам объекта, которые несут нагрузку, то есть к тем, которые поддерживают или удерживают другую часть. Типичный пример — болт, который удерживает два перекрывающихся плоских стержня вместе, или болт, который используется для крепления плоского стержня к скобе.

Из нашего обсуждения напряжения и силы вы можете вспомнить что величина напряжения эквивалентна отношению силы к площади поперечного сечения, на которую действует сила. Это ключ к пониманию разницы между напряжением опоры и напряжением, вызванным нормальной силой. В то время как внешние силы, действующие на объект, распределяются по большой площади, эквивалент этих сил на подшипнике, таком как болт, более сконцентрирован. Это приводит к огромному напряжению опоры, часто в несколько раз превышающему напряжение, испытываемое другими частями тела.

По этой причине подшипники и выемки, через которые они входят в контакт с тела часто являются точками отказа сложного, взаимосвязанного объекта. Эти зоны повышенного напряжения, называемые концентраторами стресса, должны быть чрезвычайно прочными.

Если вы строите объект, состоящий из нескольких различных частей, вам необходимо учитывать повышенное напряжение. что зазубрины и подшипники возникнут при воздействии на объект каких-либо внешних сил. Хотя можно использовать чрезвычайно прочный материал, чтобы выдерживать это напряжение подшипника, более распространенной стратегией является использование нескольких точек соединения, болтов или заклепок для более равномерного распределения нагрузки подшипника. То, насколько плотно подшипник входит в паз, также играет роль в определении напряжения в подшипнике, поскольку плотная посадка обычно приводит к увеличению площади контакта между подшипником и пазом.

Отказ из-за чрезмерного подшипника Напряжение может привести к одному или обоим из двух факторов: деформации болта, удерживающего детали вместе, или деформации паза. В любом случае важно помнить, что напряжение подшипника является результатом сжимающих сил, направление которых определяет механизм разрушения..

Что такое разрывное напряжение?

Напряжение разрыва, также называемое напряжением отрыва, представляет собой тип напряжения сдвига, связанный с определенным типом разрушения объекта. Отрыв происходит, когда объект трескается в плоскости, параллельной направлению сил сдвига. Напряжение разрыва связано как с напряжением сдвига, так и с напряжением опоры, так как это механизм разрушения, который обычно возникает в пазах из-за сил сдвига.

Отрыв обычно происходит, когда паз помещается для закрытия к краю материала. Обычно происходит то, что часть пластины сразу после надреза вырывается из-за чрезмерных усилий сдвига. Подобный отрыв может также произойти на болте, хотя это случается гораздо реже.

Чтобы предотвратить отрыв, обычное практическое правило заключается в размещении надреза на некотором расстоянии от край материала эквивалентен диаметру надреза. По мере увеличения диаметра паза (и болта) расстояние от него до края обычно умножается на более высокий коэффициент. Это отношение края к отверстию является одним из наиболее важных параметров, которые необходимо учитывать при проектировании соединений внахлест, особенно когда используются несколько выемок.

Вырыв (среди других механизмов разрушения) также можно предотвратить, установив верхний предел величины несущего напряжения, с которым должен столкнуться объект. При этом учитывается несколько факторов, в том числе материал пластины и подшипника, диаметр выемки и расстояние выемки от края пластины.

Заключительные мысли

Сборка вещей в гаражной мастерской может быть просто хобби для многих, но профессионалы, которые делают то же самое в больших масштабах, должны учитывать факторы, связанные с нагрузкой, и прочность материалов, которые они используют. Напряжение сдвига, напряжение опоры и напряжение разрыва — это лишь некоторые из немногих факторов, которые играют роль при проектировании деталей оборудования и строительных материалов, каждый из которых является неотъемлемой частью обеспечения того, чтобы эти объекты не вышли из строя.

Оцените статью
futurei.ru
Добавить комментарий