Закон Гука при растяжении и сжатии
Напряжения при растяжении и сжатии
Значения коэффицента m
Материал | Значение m | Материал | Значение m |
Чугун . | 0,23 . . . 0,27 | Стекло | 0,25 |
Медь | 0,31 . . . 0,34 | Фанера | 0,07 |
Дюралюминий | 0,32 . . . 0,36 | Пробка | 0,00 |
Свинец | 0,45 | Сталь . | 0,25 . . . 0,33 |
Итак, деформация бруса при растяжении и сжатии характеризуется абсолютным и относительным удлинением.
Метод сечений дает возможность определить только сумму внутренних сил, действующих в интересующем сечении. Однако при расчете на прочность наиболее важнейшим является вопрос об интенсивности внутренних сил, т.к. надежная работа любой детали возможна лишь в том случае, когда величина внутренних сил, приходящихся на единицу площади сечения, не превосходит некоторого внутреннего предела.
Установим связь между внешней нагрузкой, приложенной к детали, и внутренними силами сопротивления. Допустим, что брус с площадью поперечного сечения А растягивается двумя силами F(рис. 4.5).
DA |
DN |
F |
N |
s |
F |
F |
F |
Рис. 4.5 |
Рассечем брус плоскостью перпендикулярной к его оси и отбросим правую часть (см. рис. 4.5). Тогда, чтобы левая часть осталась в равновесии, необходимо действие отображенной правой части на левую заменить действием внутренних сил. Равнодействующая этих внутренних сил N равна внешней силе F, т.е. N = F. (4.7)
На элементарную площадку A приходится сила упругости N. На всю площадь приходится сила , поэтому если принять, что внутренние силы распределяются по сечению равномерно, то в этом простейшем случае напряжение вычисляется делением суммарной силы, действующей в сечении на всю площадь сечения, т.е.
, но т.к. N = F,
то , (4.8)
где F - внешняя сила [H];
A - площадь сечения [м2];
s - нормальные напряжения [Па].
Это напряжение направленно перпендикулярно к плоскости сечения (напряжение – вектор, имеющий направление внешней силы по нормали к сечению) и поэтому называется нормальным напряжением.
Английский физик Роберт Гук* проделал множество опытов с самыми разными предметами из самых разных материалов различной геометрической формы (рис. 4.6) последовательно подвешивая на них грузы и, измеряя возникающие перемещения, и установил, что в подавляющем большинстве случаев перемещение в определенных пределах пропорциональны действующим силам.
Рис. 4.6. |
Рис. 4.6 |
* от величены действующей на него внешней нагрузки.
* от размеров и геометрической формы тела;
* от свойств материала, из которого тело изготовлено.
Рис. 4.6. |
Математически закон Гука записывается в следующем виде:
(4.9)
Закон Гука является основным законом сопротивления материалов и лежит в основе расчета на прочность.
Коэффициент пропорциональности Е характеризует способность материала сопротивляться упругим деформациям растяжения или сжатия, и называется модулем продольной упругости или модулем упругости первого рода (от латинского modus - мера), или модулем Юнга*, и определяется экспериментально.
Выясним физический смысл модуля предельной упругости. для этого формулу (4.9) запишем относительно величины Е.
Е=s\e , (4.10)
где s - нормальные напряжения [Па];
e - относительное удлинение (укорочение) [безразмерная величина].
При одном и том же напряжении относительное удлинение будет меньше у того материала, для которого Е будет больше. Таким образом, модуль продольной упругости характеризует сопротивляемость материала упругой деформации при растяжении и сжатии.