Инженер начинается в школе

Силы, действующие на конструкцию

При работе сооружений и машин их части подвергают­ся действию внешних нагрузок. Плотина воспринимает дав­ление воды и передает возникающие силы на фундамент. Сила тяги локомотива передается поезду через головку соединяющей их автосцепки. По характеру расположения в пространстве силы, действующие на конструкцию, делят на сосредоточенные и распределенные. Сосредоточенными называются силы, передающиеся на элемент конструкции через площадку, размеры которой очень малы по сравне­нию с размерами всего элемента. Например, давление ко­лес локомотива на рельсы сосредоточено почти в точке. При расчетах для их упрощения сосредоточенные силы прини­мают приложенными в одной точке и измеряют их в едини­цах силы (тоннах, килограммах, ньютонах). Примером со­средоточенной силы может служить давление груза на крюк подъемного крана.

Распределенными нагрузками называются силы, при­ложенные на протяжении некоторой длины или площадки конструкции. Распределенная нагрузка измеряется в едини­цах силы, отнесенных соответственно к длине или площади (кг! м Н! м кг1м2 Н/м2= Па). Если, например, на тележке, с платформой длиной 2 м и шириной 1,5 м перевозится 600 кг Песка, насыпанного на платформе ровным слоем, то нагруз­ку на платформу считают равномерно распределенной. Она будет равна:

600 кг: (2x1,5) л*2=200 кг/м2=0,02 кг/см2= 1962 Н/м2).

Действие сосредоточенной и распределенной нагрузки многим хорошо известно и по собственному опыту. Если снег глубокий, то пешком по лесу не пройдешь — будешь глубоко проваливаться. Вес тела сосредоточен на малой площади подошв. Если же станешь на лыжи (да еще широ­кие, охотничьи), то можешь идти на них куда хочешь. Лыжи не дадут провалиться: ведь площадь и^ поверхности во много больше площади поверхности одной ступни; вес тела распределится по лыжам, а распределенная нагрузка в этом случае будет значительно меньше.

Рассмотрим еще один пример. Многие ребята увлекают­ся катанием на коньках и игрой в хоккей. В сельской мест­ности обычно катаются по льду рек и прудов. А лед коварен, и весной или осенью бывает немало случаев, когда лед не выдерживает юных спортсменов, и они проваливаются в воду. Нередко вслед за ними проваливаются и те, кто хо­чет оказать им помощь.

А ведь достаточно проявить в этом случае элементар­ную грамотность и сообразительность, и беды можно избе­жать. Если под катающимся неожиданно начнет проги­баться или ломаться лед, то необходимо немедленно лечь и раскинуть руки и ноги. Таким образом нагрузка на лед (вес спортсмена) из сосредоточенной (на одном или двух коньках) превратится в распределенную — вес тела будет рассредоточен на большую поверхность льда. Меньшую рас­пределенную нагрузку лед должен выдержать, и, следо­вательно, спортсмен останется на поверхности льда, а не уйдет под воду. Если же спортсмен все-таки провалится, то тот, кто пойдет к нему на помощь, должен оказывать ее технически грамотно, иначе и товарищу не поможет и сам погибнет. А такая грамотная помощь также заключа­ется в том, чтобы рассредоточить свой вес на возможно боль­шую площадь: приблизиться к полынье ползком или на лы­жах, положить на лед широкую длинную доску, чтобы пре­дельно уменьшить сосредоточенную нагрузку.

По характеру действия нагрузки разделяют на стати­ческие, которые нагружают конструкцию постоянно, и ди­намические, которые действуют внезапно.

Внезапно приложенные нагрузки передаются на соору­жение мгновенно всей своей величиной (например, давление колес паровоза, входящего на мост). Ударные нагрузки воз­никают при ударе (например, молотком по зубилу или при ударе бабы копра о сваю). Повторно-переменные нагрузки действуют на элементы конструкции, повторяясь значитель­ное число раз. Эти нагрузки вызывают усталость материала, которая может привести к его быстрому разрушению. Раз­рушающим действием усталости металла многие часто поль­зуются на практике: если надо, например, разрезать пру-

Ток или полоску металла, то ее достаточ­но только надрезать в нужном месте; затем несколько раз перегнуть в про­тивоположные стороны. После этого на месте перегиба образуется трещина, и твердая заготовка переломится «от уста­лости».

Деформации и напряжения

Под действием внешних сил элемен­ты конструкции и вся она целиком в большей или меньшей степени изменяют свою форму и размеры. Это изменение формы и размеров называется деформа­цией.

Основные типы деформаций (рис. 15).

1. Растяжение (А) или сжатие (Б) — его испытывают цепи, канаты, тросы, ко­лонны, элементы в фермах (мостов).

2. Перерезывание (В) — ему подверже­ны болты, винты, заклепки. 3. Круче­ние (Г) — возникает при работе валов. 4. Изгиб (Д) — ему подвергаются раз­личные балки.

Деформации разделяются на упру­гие и остаточные. Упругими деформа­циями называются такие, которые по­являются под влиянием внешних сил и исчезают после того, как эти силы перестают действовать. После того как внешняя сила, вызвавшая упругую де­формацию, прекращает свое действие, деформированный элемент восстанавли­вает свою первоначальную форму и размеры. Этот вид деформации всем хорошо знаком на примере дверной пружины. Чем шире открываешь дверь, тем сильнее растягивается пружина, а

Рис. 15. Основные типы деформаций.

Как только дверь отпустишь, пружина сожмется до первоначальной длины: дверь закроется со стуком.

Упругая деформация материала воз­можна только до определенного предела. Если величина нагрузки превысит этот предел, то после «разгрузки» элемент (из­делие) своей первоначальной формы пол­ностью не восстановит, а так и останется деформированным. Примером служит та же пружина: повесишь на нее груз потя­желее, она вытянется, но уже не сожмется после снятия груза. Эта деформация и на­зывается остаточной.

Сила, которая приходится на единицу площади поперечного сечения, называется напряжением. Она измеряется в кг/см2; Н! м2 или Н/мм2; кг/мм2; Т1см2; Т/м2; МН/м2; МН/мм2; Па; МПа.

Пример. На стержень (рис. 16.) с по­перечным сечением 2x2=4 см2 действует растягивающая сила Р=1000 кг. Напря­жение материала в поперечном сечении стержня составит:

1000 кг ОСЛ / 9

=250 кг/см1, или

4 см2

Тон

=24525» 103#/л<2 —24,525 МПа.

4-10-
конструкции, необходимо учитывать, чтобы возникающие при работе напряжения были меньше тех, при которых ма­териал разрушается или получает остаточные деформации. Иначе говоря, деформации всегда должны быть упругими а напряжение — меньше предела упругости материала, из которого элементы конструкции изготовлены.