MECHANIKA PRUŽNÉHO TĚLESA Studijní tet pro řešitee O a ostatní zájemce o fyziku Bohumi Vybíra Obsah Předmuva 3 1 ZÁKLADNÍ POZNATKY O PRUŽNOSTI TĚLES 4 1.1 Pevnépružnétěeso........................ 4 1.2 Napětíadeformace......................... 5 2 TAHOVÁ A TLAKOVÁ DEORMACE 10 2.1 Tahovádeformacetyče,Hookůvzákon.............. 10 2.2 Takovádeformacetyče...................... 11 2.3 Deformačníenergiepřitahu.................... 11 2.4 Eperimentánízkoumánímateriáutahematakem...... 12 2.5 Mírabezpečnostiadovoenénapětí................ 14 Příkad1 návrhprutovésoustavy................ 16 2.6 Sožitějšíúohyvedoucínatahnebotak............. 17 Příkad2 rotujícítyč....................... 19 Příkad3 rotujícíprstenec.................... 20 2.7 Úohykekapitoe2......................... 22 3 SMYKOVÁ DEORMACE A TORZE 26 3.1 Hookůvzákonprodeformacismykem.............. 26 3.2 Deformačníenergiepřismyku................... 28 3.3 Dovoenénapětípřismyku..................... 28 3.4 Torzerotačníhováce........................ 28 3.5 Deformačníenergiepřitorzi.................... 33 Příkad4 hnacíhříde...................... 33 Příkad5 torzníosciátor.................... 34 Příkad6 tuhostšroubovitépružiny.............. 36 3.6 Úohykekapitoe3......................... 37
4 ELEMENTÁRNÍ TEORIE OHYBU 40 4.1 Nosníkzatíženývnějšímisiami.................. 40 4.2 Vnitřnístatickéúčinkyunosníků................. 41 Příkad7 posouvajícísíaaohybovýmoment......... 42 4.3 Napětíadeformacepřiprostémohybu.............. 43 Příkad8 Průřezovécharakteristikyobdéníkaakruhu.... 46 4.4 Deformačníenergiepřiprostémohybu.............. 47 4.5 Příčnýohyb............................. 48 4.6 Ohybováčáranosníkupřipříčnémohybu............ 48 Příkad9 Ohybováčárakrakorce................ 49 Příkad10 Pevnostnívýpočetkrakorce............. 51 4.7 Vzpěrpřímýchprutů........................ 51 4.8 Úohykekapitoe4......................... 54 5 ŘEŠENÍ ÚLOH 56 Literatura 62 Příoha 63
Předmuva Předožený studijní tet se zabývá mechanikou pevného deformovateného těesa oborem, který studuje mechanická napětí a deformace vyvoané působením vnějších si. Jde tedy o otázky související s pružností a pevností reáného těesa a proto se tento obor v apikované technické formě nazývá pružnost a pevnost, i když ani toto označení pně nevystihuje obsah tohoto technického předmětu. Zabývá se jevy, které vysvětují pevnost např. ptačího křída, kymácejícího se stéba trávy ve větru anebo rotující neutronové hvězdy. Konstruktérovi poskytuje metody potřebné pro návrh různých staveb a strojů. Jejich nedostatečné respektování vede ke katastrofám, se kterými se stáe setkáváme (zřícené budovy, mosty, havarovaná etada atd.). Otázkami pružnosti a pevnosti se zabývay nejvýznamnější osobnosti fyziky, jakými byi G. Gaiei, Jacob Bernoui, E. Mariotte, R. Hooke, L. Euer, Ch. A.Couomb,A.L.Cauchy,G.G.Stokes,G.Green,J.C.Maweaj.Souběžně s rozvojem tohoto oboru se rozvíjey i významné matematické obory, jako teorie diferenciáních rovnic a tenzorový počet. I přes uvedený význam je tento obor mechaniky jen okrajovou součástí současné středoškoské fyziky. Nicméně ve vysokoškoské fyzice má pevné místo v teoretické mechanice jako mechanika pružného kontinua. Zde jde o náročnou partii vyžadující dobrou znaost vyšší matematiky, zejména tenzorového počtu. Pro budoucí techniky na středních a vysokých škoách je pružnost a pevnost obávaným profiujícím předmětem. Inženýr dokáže metodou konečných prvků (numerická diferenční metoda řešení diferenciáních rovnic, které popisují napětí a deformace) provést pevnostní výpočet těesa(součástky, konstrukce) ibovoného tvaru. Předožená pubikace může poskytnout jen stručný fyzikání úvod do mechaniky deformovatených těes. Omezuje se jen na pružné deformace těes jednoduchého tvaru. Popisuje zákadní deformace: tah, tak, smyk, torzi a ohyb. Při fyzikáním popisu vystačíme se zákady diferenciáního a integráního počtu. Stručný fyzikání výkad je iustrován 10 řešenými příkady a čtenáři je předoženo 26 úoh s řešením uvedeným v závěru pubikace. Přiřešenípříkadůaúohsečtenářsetkásmatematikou,kteráseběžně na střední škoe neprobírá. Vhodné dopnění matematiky pro fyziku ze najít v souboru pubikací Kapitoy z matematiky pro řešitee fyzikání oympiády[13]. 3
1 ZÁKLADNÍ POZNATKY O PRUŽNOSTI TĚLES 1.1 Pevné pružné těeso V mechanice se setkáváme s ideaizovanými modey pevných těes. Jde-i nám o pohyb těesa jako ceku, používáme mode tuhého těesa. Síy a momenty si působící na těeso vyvoávají u reáného těesa stav napjatosti provázený jeho deformací. V našem tetu se soustředíme na zjednodušený mode pevného těesa, u něhož vznikají jen pružné deformace, tj. po vymizení vnějších si vymizí i deformace a těeso nabývá původního tvaru. U reáného tvárného těesa přejdou při překročení určitého napětí pružné deformace na pastické zákad změny tvaru těesa kováním a isováním. U křehkého těesa tento stav nenastává dochází přímo k omu. Deformace reáných pružných těes působením si je podmíněna jejich mikrostrukturou. Jejím zákadem jsou zpravida ionty, které jsou u krystaických átek rozoženy v krystaových mřížkách. Látka ve formě monokrystau je anizotropní, tj. její vastnosti závisí na směru si vzhedem ke stavbě krystau. Většina technicky významných átek se vyskytuje jako poykrystay. Skádají se z vekého počtu krystaků(zrn), jejichž vzájemná pooha je nahodiá a proto výsedné fyzikání vastnosti těchto átek jíž nejsou závisé na směru; tyto átky jsou izotropní. Izotropií se vyznačuje i druhá skupina pevných átek amorfní átky, které nemají krystaovou strukturu, protože jsou tvořeny částicemi s krátkým dosahem. Patří mezi ně např. pasty, sko, vosk, pryskyřice, asfat a poymery(např. kaučuk, bavna, termopasty aj.). V našem tetu se budeme zabývat deformacemi pevných těes vytvořených z izotropních átek. Mikrostruktura pevných átek výrazně ovivňuje jejich mechanické vastnosti jejich pružnost a pevnost. Pro zkoumání makroskopických deformačních dějů však není nutné přihížet k mikrostruktuře átky, nýbrž pevné těeso ze vyšetřovat jako pružné spojité prostředí pružné kontinuum. Tento mode umožňuje využít matematickou teorii spojitých funkcí jedné nebo více proměnných, přičemž rozpor s nespojitou fyzikání reaitou, projevující se ve vemi maých objemech, překeneme tak, že jednotivým bodům kontinua připíšeme veičiny, které jsou středními hodnotami z dostatečně vekého okoí bodu kontinua.upatňujesezdefenomenoogická( jevová )metoda,přičemžfyzikání vastnosti átky, podmíněné jejich mikrostrukturou, jsou popsány obecně spojitými funkcemi místa v těese. Některé z nich ze považovat za konstanty; nazývají se materiáové konstanty. U izotropních átek jsou tyto konstanty dvě a nazývají se moduy pružnosti: E YoungůvmodupružnostiaG modupružnostivesmyku.uani- 4
zotropních átek se nazývají eastické koeficienty a jejich počet závisí na sožitosti krystau(u nejsožitějšího krystau trojkonné soustavy je jich 21). 1.2 Napětí a deformace Nechťnapružnétěesopůsobísoustavavnějšíchsi 1... i... n (obr.1), přičemžjejichvýsednicejenuová: n i=1 i= 0, tj.těesojevestatickérovnováze. Mezi vnější síy patří: 1. objemové síy rozožené v ceém těese, tedy především tíhová sía a setrvačné síy vznikají v neinerciání soustavě spojené s těesem, např. sía odstředivá, 2. pošné síy, působící na povrch těesa především takové síy vyvoané takem kapain a pynů, 3. vazbové síy(reakce) síy a případně momenty si, kterými působí na pružné těeso okoní těesa v místech vazeb(např. ožiska, podpěry, vetknutí). Určují se z podmínek statické rovnováhy těesa(viz např.[10]). 3 2 3 2 1 1 1 1 2 12 21 2 n k n Obr. 1 Soustava vnějších si a vnitřních si Působení vnějších si uvnitř těesa zprostředkovávají vnitřní síy. Jsou to síy, které působí jako reakce proti tendenci vnějších si porušit prvek pružného těesa, měnit jeho tvar, odděit jednu jeho část od druhé. Určují se metodou k 5
myšenéhořezu. 1 )Těesemvedemevmístě,kdemámesíyurčit,myšenýřez rovinou (obr.1),kterýmtěesorozděímenadvěčásti1,2.označíme-i 21 výsednici vnitřních si spojitě rozožených po poše řezu, kterými působí část 2načást1aanaogicky 12,kterýmipůsobíčást1načást2,musízhediska rovnováhybýt 12 + 21 = 0. Vnitřnísíyurčujememetodoumyšenéhořezu tak,žeurčímerovnováhujejíurčitéčásti(1nebo2). V mechanice tuhého těesa jsme pracovai se siou jako vektorem, který je vázánnapřímku nositekusíy ponížjibyomožnoibovoněposunout. V mechanice pružných těes to nepatí, protože posunutím síy po přímce(změnoujejíhopůsobiště)bydošokezměněrozoženívnitřníchsiatímkezměně napjatosti těesa. Rozožení vnitřních si na poše myšeného řezu těesa charakterizujeme veičinou(mechanické) napětí. Nechť na eementární poše S v okoí bodu A pochyřezu(obr.2)působívnitřnísía.pakcekovénapětívtomtobodě je c= im S 0 S =d ds. (1) JednotkounapětívsoustavěSIjeN m 2 =m 1 kg s 2 =Pa(pasca).Protože napětí1pajevemimaé,používásejednotkampa=10 6 Pa=N mm 2. S S n n A α c t t n k Obr.2 Kpojmunapětí 1 )Geniánímetodumyšenéhořezu,hojněpoužívanouvmechanicepružnéhotěesa,zaved Leonard Euer (1707-1783). Řezem se vnitřní sía stává siou vnější a můžeme ji určit z podmínky rovnováhy odděené části. 6
Vektornapětí cmádvěvýznamnésožky.sožkanapětívesměrunormáy nkroviněmyšenéhořezusenazývánormáovénapětí,vtechnicképraise značí σ. tohoto souhasný se směrem vnější normáy, hovoříme otahovémnapětí(tentopřípadjeznázorněnnaobr.2).je-isměrnapětí opačný než vnější normáa, hovoříme o takovém napětí. Druhá významná sožkouvektorunapětí cežívtečnéroviněmyšenéhořezu(tedypřímovroviněřezu,kterýjerovinný).nazývásetečnénapětí avtechnicképraise značí τ. Protože toto napětí vyvoává smykovou deformaci, nazývá se rovněž smykové napětí. Rozkadvektorunapětí cvurčitémboděrovinnéhořezuzatíženéhotěesa do sožek můžeme vyjádřit těmito skaárními výrazy: n σ= im S 0 S =d n ds =d ds cosα=σ ccosα, (2) t τ= im S 0 S =d t ds =d ds sinα=σ csinα, (3) kde n, t jsouveikostiprůmětusíy do nat.úhe αvtěchtovýrazech jeodchykasíy odsměruvnějšínormáy naežívintervau 0, p.zvýrazu (2)tedyvypývá σ >0 protahovénapětí,kdy α 0, p/2) a σ <0 pro takovénapětí,kdy α (p/2, p.tečné(smykové)napětíje τ > 0,neboť vznikápro α (0, p). Cekové napětí(1) je závisé na dvou vektorových veičinách na vektoru vnitřních si v místě eementu pochy S a na směru vnější normáy pochy myšenéhořezuvmístě,vněmžeement Seží.Napětí cjetedyveičina, která je charakterizována dvěma směry, což se v jeho sožkách obecně vyjadřuje připojením dvou indeů. Takové veičiny se vyskytují jak ve fyzice, tak v geometrii, nazývají se tenzory a zabývá se jimi matematická discipína tenzorový počet. 2 ) 2 )Vdanémpřípadějdeotenzordruhéhořádu.Vtrojrozměrnémprostorumá3 2 =9 kartézských sožek, které ze uspořádat do matice ( σ, σ y, σ z ) σ y, σ yy, σ yz. σ z, σ zy, σ zz Tři sožky v havní diagonáe matice mají dva stejné indey a popisují normáová napětí ve směru přísušných os, y, z. Šest zbývajících sožek popisuje tečná napětí v rovinách yz, zay.jsouvindeechsymetrické(např. σ y = σ y)atedynezáviséjsoujentři. V mechanice tuhého těesa se setkáváme s podobným tenzorem tenzorem setrvačnosti(viz např.[11]). Vektory ze považovat za tenzory prvního řádu(v trojrozměrném prostoru mají 3 1 =3sožky)askaáryzatenzorynutéhořádu(3 0 =1sožka).Ovektorechatenzorechve fyzice systematicky pojednává[12]. 7
S tenzorovým vyjádřením napětí souvisí i tenzorové vyjádření deformace, kterou napětí vyvoává. Tedy úpný a obecný popis napjatosti těesa vyžaduje popis pomocí tenzorové agebry a anaýzy. V našem výkadu se tomuto obecnému popisu vyhneme, aniž bychom omezovai správnost řešení, neboť se budeme zabývat jen jednoduchými(i když fundamentáními) případy pružnosti těesa. Budeme tedy nadáe pracovat se sožkami napětí σ a τ jako se skaárními veičinami. Účinkem vnitřních si vzniká v těese jeho deformace. Budeme uvažovat jen pružnou deformaci, tj. takové změny tvaru a rozměrů, které vymizí, přestanou-i působit vnější síy. Nyní zavedeme veičiny, kterými budeme popisovat deformaci. Představme si body A, B, C nedeformovaného těesa(obr. 3). Vzdáenost bodů A, B označíme ; úsečky AB, BC spou svírají úhe α. Působenímsíy setěesodeformujeabodypřejdoudopooh A, B, C.Orientované úsečky AA, BB, CC senazývajívektorypřemístění,přičemžjezerozožit na přemístění ineární posunutí a přemístění úhové pootočení. U ohybu nosníku(viz kap. 4) se posunutí nazývá průhyb v určitém bodě. S pootočením sesetkámeutorze(vizkap.3),kterésezdeoznačujeúhezkroucení. A A + B α B α C C Obr.3 Kpojmudeformace Současně s přemístěním vzniká u těesa na obr. 3 přetvoření charakterizovanézměnoudéekúsečekazměnouúhumezinimi.nechťúsečka ABzmění déku popřemístěnído A B na +.Tutozměnucharakterizujemereativním(poměrným) prodoužením ε=. (4) Je to bezrozměrná veičina, která udává prodoužení úsečky jednotkové déky. Vyjde-i εzáporné,jdeozkráceníúsečkydéky o. 8
Vede ineárního přetvoření vzniká úhové přetvoření, které se v našem případěprojevízměnouúhu αna α.zvoíme-ibodya, B, Ctak,že α=p/2, nazývá se přísušná změna úhu zkos γ= p/2 α. (5) Obecně síy a momenty si způsobují sožité deformace těes. Ve zváštních případech dochází k zákadním deformacím těes, jak je vyznačeno na obr. 4. Jsou to: 1. tah(tahová deformace) a tak(taková deformace) projevuje se u namáhání an, prutů v příhradových konstrukcích, soupů, řetězů, 2. smyk(smyková deformace) projevuje se u namáhání šroubů, nýtů, svárů, čepů, 3. torze(krut) projevuje se u namáhání hřídeů, pružin, torzních váken, 4. ohyb projevuje se u namáhání všech druhů nosníků, např. hřídeů, překadů, mostovek, bakonových nosníků(krakorců). a) b) c) d) 2 e) Obr.4 Zákadnídruhydeformací:a)tah,b)tak,c)smyk,d)torze,e)ohyb 9
2 TAHOVÁ A TLAKOVÁ DEORMACE 2.1 Tahová deformace tyče, Hookův zákon Napřímoutyčkonstantníhoprůřezuopošnémobsahu Snechťpůsobívose stáá sía (obr. 5). Normáové napětí v ibovoném místě komého průřezu nosníku určíme metodou myšeného řezu rovinou vedenou komo k jeho ose (obr.5a).zpodmínkyrovnováhyodděenéčásti σs =0pyne σ= S. (6) a) b) b b b S σ + Obr. 5 Tahová deformace: a) určení napětí metodou myšeného řezu, b) změna rozměrůtyčepřitahu Působením vnější siy se tyč prodouží o. Výsedky eperimentů, které r. 1678 pubikova Robert Hooke, vedou k jednoduchému závěru, že prodoužení je přímo úměrné veikosti působící síy, pokud její veikost nepřekročí jistou mez. Prodoužení tyče je dáe přímo úměrné její déce a nepřímo úměrné pošnému obsahu S příčného řezu pode vztahu = ES = σ E, (7) kde Ejekoeficientúměrnosti,kterýjeprourčitýmateriátyčeajehotepotu konstanta.veičinu Ezavedteprver.1807,tedyaž129etpozveřejněníHookova poznatku, Thomas Young. Na jeho počest se nazývá Youngův modu (anebo také modu pružnosti v tahu). Zavedením reativního prodoužení(4) a normáového napětí(6) můžeme vztah(7) psát v obecnějším tvaru σ= Eε, (8) který se nazývá Hookův zákon pro jednoosou napjatost(tah/tak). Z tohoto vztahu je zřejmý fyzikání význam Youngova moduu. Je to napětí, které 10
byvtyčivznikopři ε=1(tj. =),kdyžbychompřijaipatnostzákona (8) bez omezení. Ve skutečnosti u většiny technických materiáů vzniká již při ε <0,01pastickádeformace.Výjimkutvoříjenpryž.Vtab.Ivpříozejsou uvedeny hodnoty Youngova moduu pro běžné technické materiáy. Protože / = ES/, nazývá se veičina ES/ tuhost tyče v tahu jako sía, která by způsobia prodoužení tyče o jednotkovou déku. S prodoužením tyče se současně zmenšují její příčné rozměry. Např. šířka tyče bsezmenšína b b(obr.5b).reativnízúženípříčnýchrozměrů η = b/b je přímo úměrné reativnímu prodoužení ε pode vztahu η= b b = µε=µ σ E, (9) kde konstanta úměrnosti µ se nazývá Poissonovo číso. U běžných technických materiáůje µ (0,25 0,5) viztab.i. 2.2 Taková deformace tyče Poznatky, které jsme uvedi pro pružnou tahovou deformaci, patí do jisté míry iprotakovoudeformaci,přičemž σ <0 ε <0(zápornéreativníprodoužení = zkrácení), η < 0(záporné reativní zúžení = rozšíření). U takové deformace však přistupují i otázky stabiity a tak reativně štíhé přímé tyče namáhané natakjenutnékontroovatnavzpěr(vizč.4.7). 2.3 Deformační energie při tahu Protože se tyč nachází ve statické rovnováze, projeví se práce vykonaná vnějšími siami při její deformaci přírůstkem její potenciání energie; v tomto případě deformační energie při tahu. Vypočtěme tedy deformační práci ze stavu bez deformace(=0)dostavusdeformací = (obr.6).vobecnépooze(při protažení )mávnějšísiaveikost = ES/ apřiprotaženíodékud vykoná eementární práci dw= d= ES d. Ceková deformační práce při protažení o je W= ES 0 d= ES [ 2 2 ] 0 = ES 2 ( )2 = 1 2 = 2 2ES. (10) 11
+ S B dw O d C Obr. 6 K výpočtu deformační energie při tahu Zde jsme práci vyjádřii ještě užitím koncové veikosti síy a prodoužení podevztahu(7).zobr.6jezřejmé,žepráce(10)jeúměrnápošetrojúheníka OBC. Zavedeme-i do(10) reativní prodoužení ε a napětí σ, dostaneme pro deformační práci a tudíž i pro deformační energii U výraz W= U= ε2 E σ2 S= S. (11) 2 2E Protože S = V je objem tyče, můžeme snadno vypočítat hustotu deformační energie při tahu u t = U V = ε2 E 2 = σε 2 = σ2 2E. (12) Přiznaostideformačníenergie U přiobecnémprotaženíomůžemenaopakurčitveikost vnějšísíypřitomtoprodoužení.zevztahu(10)pro obecnou poohu nahradíme veičinou a dostaneme U = W = ES 2 2 = du d = ES. (13) 2.4 Eperimentání zkoumání materiáu tahem a takem Mechanické vastnosti materiáu ze spoehivě určit jen eperimentáně, přičemž zákadní statickou zkouškou je zkouška tahem. Tyč se napíná v hydrauickém trhacím stroji pozvoně rostoucí siou, až dojde k jejímu přetržení. Přitom se měří veikost síy a odpovídající prodoužení. Zkouška musí probíhat za přesně stanovených podmínek(daných závaznou normou). Zkušební tyče jsou normaizovány; mívají zpravida kruhový průřez(obr. 7). Pracovní déka tyče, vyznačená ryskami, je kratší než její vácová část. 12
Obr. 7 Zkušební tyč pro statickou zkoušku tahem Graf závisosti veikosti zatěžující síy na prodoužení, resp. závisosti napětí σ na reativním prodoužení ε se nazývá pracovní diagram, jehož příkadjenaobr.8. σ σ pt σ kt σ e σ u O α K 0 K E U σ P X 0 X X ε Obr. 8 Pracovní diagram pro houževnatou oce. Napětí σ je definováno podíem zatěžující síy a pošného obsahu původního(nedeformovaného) průřezu; jde osmuvnínapětí,skutečnénapětí σ je větší, protože se pocha průřezu deformací zmenšuje. Poznámka: Pro napětí v pracovním diagramu se nově pode ČSN přijaa tato označení: σ k = R e, σ pt = R m Pracovní diagram má někoik význačných bodů: σ u napětínameziúměrnosti(u mezúměrnosti)vymezujeobast (přibižné)inearity,tedyobast,vnížjespněnhookůvzákon σ=eε.je zřejmé,žesměrniceúsečky OU(tg α)jerovnayougovumoduu E. σ e napětí na mezi úměrnosti(e mezpružnosti)vymezujebod, při jehož překročení vznikají trvaé deformace.(norma vymezuje, že trvaé prodoužení musí být větší než 0,005%.) σ k napětínamezikuzu(k mezkuzu)jenapětí,přiněmžsečástečně poruší strukturání vazba v krystaické mřížce. Vzniká výrazná pastická deformace(materiá teče ).Tentobodsenevyskytujeukřehkýchmateriáů. σ pt napětínamezipevnostivtahu,(p mezpevnosti),přijehož dosaženídojdektrvaémuporušenímateriáu(bod P).Materiádáe teče a přetržení nastane v bodě X při menším smuvním napětí.(skutečné napětí je větší bod X.)Bod X 0 popisujedékupřetrženétyče. Při statické zkoušce na tak se použije zkušební těísko tvaru kryche nebo nízkého váce. Jde-i o houževnatý materiá(většina oceí), chová se do meze 13
úměrnosti stejně jako při tahu. Při překročení meze kuzu nabude zkušební těísko tvaru soudku. U křehkých materiáů(itina, beton, kámen) je pevnost vtakuvýrazněvětší,přičemžněkteréznich(např.čistýbeton,tj.bezoceové armatury) neze vůbec namáhat na tah. Na mezi pevnosti v taku nastává rozdrcení zkušebního těíska. Porovnání úpných pracovních diagramů houževnatých a křehkých materiáů je na obr. 9. Pracovní diagramy pro křehké materiáy nemají zpravida ineární úseky, proto Hookův zákon pro ně patí jen přibižně. Mechanické pevnostní charakteristiky některých konstrukčních oceí akřehkýchmateriáůjsouuvedenyvpříozevtabukáchiiaiii.ukřehkých materiáů se uvádí i eperimentání hodnota pevnosti v ohybu. a) oce σ b) šedá itina σ σ kt tah σ pt tah O ε O ε tak σ kd tak σ pd Obr. 9 Úpné pracovní diagramy: a) houževnaté materiáy(oce), b) křehké materiáy (šedá itina) 2.5 Míra bezpečnosti a dovoené napětí Tvar a veikost namáhaných těes(např. součástí strojů) se odchyuje od tvaru zkušebních tyčí. Jde zejména o změny průřezu(otvory, osazení, zápichy, závity tvořískupinutzv. vrupů ).Rovněžsíynebývajístatické,naopakčastovemi dynamické, např. u spaovacích motorů. Provozní tepoty také ovivňují pevnost, jsou-i vysoké anebo naopak vemi nízké. Zejména dynamické namáhání může způsobit tzv. únavové omy v místě vrupů, z nichž se šíří mikroskopické trhiny. Konstruktér se musí při návrhu také pojistit proti nenadáému nestandardnímu zatížení, které se může při provozu ojediněe vyskytnout a ohrozit ceistvostsoučástiatímčinnostceéhozařízení.zavádíseprotokoeficient k >1 14
zvanýmírabezpečnosti,pomocíněhožsepočítádovoenénapětí σ dt pro namáhání tahem pode vztahu σ dt = σ kt k, (14) kde σ kt jenapětínamezikuzuurčenéstatickouzkouškou. Zmateriáů,kterénemajímezkuzu,sedovoenénapětíurčíznapětína mezi pevnosti pode vztahu σ dt = σ pt k, (15) kde k > k.vobamírybezpečnosti k, k jepředevšímotázkouempiriezískané provozem a zkušenosti konstruktéra. Při jeho vobě rozhodují současně otázky spoehivosti a ekonomiky, které jsou vzájemně protichůdné. Často přistupují i otázky hmotnosti ceého zařízení, např. u etade. Materiá k, k Oce k=1,2 2 Ocekaená k =2,5 4 Šedáitina k =4 5 Hiníkitý k =8 10 Dřevo k =6 12 Beton k =4 8 Tab.IV Mírabezpečnosti Pevnostní podmínka, kterou je vázán konstruktér při návrhu, určuje, že pro vypočtené napětí musí patit σ σ dt k nebo σ σ pt k. (16) Zaokrouhení vypočteného rozměru součásti, které nakonec konstruktér provede, je dáno např. ceým čísem, které vypývá z normované řady pro řešený případ(např. normované řady šroubů, nýtů, ožisek). Zváštní pozornost je třeba věnovat cykicky namáhaným součástkám, u kterýchmůžepřiprovozudojítkúnavovýmomům.jetodánonapř.jejichkmitáním(u opatek turbín, anebo istů vrtue), nebo rotací(u hřídeů, čepů ko automobiů) a jejichž om může způsobit katastrofu. Zde je proto nutné statickou zkoušku dopnit zkouškou meze únavy při střídavém tahu taku anebo 15
při souměrně střídavém ohybu, kdy jsou krajní vákna střídavě namáhána na tahatak.zjišťujesezávisostcykickéhonapětí σ c napočtu Ncyků,které zkušebnítyčvydržídovznikuúnavovéhoomu.srostoucím N se σ c uocei asymptotickyzmenšujekhodnotě σ 0c,kterájenapětímnameziúnavy.Při zkoušcesevycházízpoznatku,ženerozruší-isevzorekdo1 10 7 cyků,vydrží praktickyneomezenýpočetcyků.přísušnýgraf σ c (N)senazýváWöherůvdiagram(obr.10).Prooceipatípřibižnýpoznatek σ 0c =(0,4 0,6)σ pt.unežeezných kovů, zejména u ehkých sitin, se neobjevuje zřetená mez únavy. Wöherova křivka má stáe sestupný průběh, a proto je nutné součásti z těchto kovůnavrhovatpročasovoumezúnavy σ N proočekávanýpočet Ncykůdo konce životnosti zařízení. Přinávrhucykickynamáhanýchsoučástísedovoenénapětí σ dt vpevnostní podmínce(16) určí anaogicky vztahu(14), tedy σ dt = σ 0c k resp. σ dt = σ N k. σ c σ c σ pt σ c1 σ c2 oce nežeezné kovy pevnost časovaná trvaá σ 0c σ 0c 0 N 1 N 2 10 7 N og N 0 2 4 6 8 Obr.10 Závisostcykickéhonapětí σ cnapočtucyků N(Wöherůvdiagram)vgrafu ineárním(a) a semiogaritmickém(b) pro oce Příkad 1 návrh prutové soustavy Navrhněte průměry tyčí staticky namáhané prutové soustavy pode obr. 11 pro =10,0kN, α 1 = α 2 = α=30.voteoce10370(σ kt =200MPa)amíru bezpečnosti k = 2,0. 16
α 1 α 2 1 2 Obr. 11 Prutová soustava Řešení Z podmínky statické rovnováhy pyne Pevnostní podmínka(16): 1 = 2 = 2cosα = 3. σ= 1 S = 2 pd 2 cosα σ dt= σ kt k. (17) 2k Odtud d pσ kt cosα =8,6 10 3 m. Voíme d=10mm. Zevztahu(17)pakdostanemeskutečnénapětívtyči σ=73,5mpa <100MPa. 2.6 Sožitější úohy vedoucí na tah nebo tak K nejvýznamnějším úohám, které vedou k Hookovu zákonu pro tah/tak patří namáhánívohybu.tentopřípadjetakvýznamnýasožitý,žemuvěnujeme samostatnou kapitou 4. K úohám na tah/tak vede i řada staticky neurčitýchúoh,tj.úoh,kdykurčenísiamomentůsinestačípodmínkystatické rovnováhy = 0, M=0 akřešenímusípřistoupitještědeformační rovnice, vyjadřující pode dané situace deformační podmínku soustavy, její rozměrovou kompatibiitu. Těchto rovnic je někdy nutno sestavit více; pak hovoříme o tom, koikrát je soustava staticky neurčitá. Důežitým případem je tepené pnutí. Uvažujme jedenkrát staticky neurčitousoustavu,kteroujetyčvoženápřitepotě t 1 donehybnýchopor(např. mezičeistisvěráku)bezpředpětí(obr.12).pozahřátíztepoty t 1 na t 2 se 17
tyč bude snažit prodoužit a bude rozpínat opory. Protože jsou nehybné, budoupůsobitnatyčreakcemi R,kterévyvoajívtyčinapětí σ.tovypočteme zrovnice t + R =0, kde t = α(t 2 t 1 ), R = R ES = σ E, kde α je tepotní součinite dékové roztažnosti. Odtud σ= αe(t 2 t 1 ). (18) Např.uoceovétyče(α=1,5 10 5 K 1 )vznikápřizvýšenítepotyo10 C takovénapětí σ= 30MPa, E=2,0 10 11 Pa. R S R Obr.12 Tepenépnutívtyči Jiný příkad jedenkrát staticky neurčité soustavy je na obr. 13. Předpokádáme,ženosníkjedokonaetuhýapruty1,2jsoupružné.Soustavaby bya staticky určitá, kdyby neobsahovaa prut 2. Pak bychom mohi jednoduše určitsíupůsobícívprutu1ireakci Rzávěsu.Vdanémpřípaděobouprutů bude řešení poměrně jednoduché, budou-i pruty přesně stejně douhé a jejich montáž bude provedena s nuovým předpětím(obr. 13b). Jiná situace nastane, kdyžnapř.prut2budevdůsedkuvýrobnínepřesnostioδkratší(obr.13c). Pakpřimontážibudenutnéprut1stačitodéku 10 aprut2odéku 20 natáhnout.musítedybýtspněnadeformačnírovnice δ= 10 + 20, kde 10 <0jetakovádeformaceprutu1převedenádoprutu2.Přimontážitedy vzniknouvprutechpočátečnísíy 10 <0, 20 >0,ikdyž =0.Popřipojení vnější síy dostaneme výsedné zatížení superpozicí si z řešení situací na obr. 13ba13c. Přerozděení si v naší soustavě by nastao i v případě montáže bez předpětí (obr.13b),jestižebychompotézměniitepoty t 1, t 2 prutů1,2(předpokádejmerovnoměrněpoceéjejichdéce),např. t 2 < t 1. Vsoustavěopětvznikne tepotnípnutíipro =0.Podobnépnutívznikátakénapř.přiochazování itinového nebo skeněného oditku a může vést k jeho popraskání. K apikaci Hookova zákona pro tah vedou i některé daší sožitější úohy, jak je uvedeno vpříkadech2a3avúoháchvč.2.7. 18
a) O 1 2 a a a b) O R 1 2 1 2 c) O 20 10 δ 10 Příkad2 rotujícítyč R 0 10 22 Obr. 13 Staticky neurčitá prutová soustava Uvažujte pružnou tyč o déce, hustotě a konstantním obsahu S příčného průřezu, která rotuje konstantní úhovou rychosti ω koem osy komé k podéné ose tyče(obr. 14). Vypočtěte a)napětí σ vobecněvedenémkomémřezu Xtyče, b) prodoužení úseku tyče o déce a prodoužení ceé tyče. Při řešení pro jednoduchost předpokádejte, že změna rozměrů tyče je maá, což dobře spňují technické materiáy s výjimkou pryže. Řešení a)vevzdáenosti odkoncetyčeprovedememyšenýřez X(obr.14).Vnitřní síyvtomtořezumusíbýtvrovnovázesvýsednicí odstředivýchsimyšené odděené části. Na eement dξ působí eement odstředivé síy o veikosti d = Sω 2 ( ξ)dξ. 19
Pronapětívřezu Xpakpatí σ = S = ω2 0 ( ( ξ)dξ= ω 2 ). 2 b) K výpočtu prodoužení úseku tyče o déce určíme nejprve prodoužení jejího eementu dξ, které označíme (dξ) a tato prodoužení sečteme pro všechna ξ.vyjdemezhookovazákona,přičemžnapětí σ ξ vmístěeementuurčímez výše uvedeného vztahu, nahradíme-i ξ za. Pro prodoužení eementu dξ tedy apikací vztahu(7) dostaneme (dξ)= σ ξ ω2 dξ= E E ) (ξ ξ2 dξ. 2 Prodoužení úseku tyče déky dostaneme integrací od 0 do : = ω2 E 0 (ξ )dξ= ξ2 ω2 2 ( ). 2 2E 3 Prodoužení ceé rotující tyče dostaneme dosazením = : = ω2 3 3E (patípro ). ω X dξ ξ S σ Obr. 14 Rotující tyč Příkad 3 rotující prstenec Prstenecovnitřnímpooměru r,toušťce h r,šířce bahustotě rotuje úhovou rychostí ω okoo rotační osy souměrnosti. Vypočtěte a) napětí v prstenci, b) zvětšení pooměru v důsedku rotace, c) deformační energii a porovnejte ji s kinetickou energií. 20
Řešení a)úohavedenaprostýtah.zprstencevyjmemeeement(obr.15),nakterý působí eementární odstředivá sía o veikosti ( d o = ω 2 r+ h ) dm ω 2 r 2 bhdα. 2 Aby myšeně vyjmutý eement by v rovnováze, musí účinek odstředivé síy d o vyrovnávatdvěvnitřníobvodovésíy, stejnéveikostipodeobr.15b. Protože tyto tři síy jsou v rovnováze, je siový trojúheník uzavřený(obr. 15c). Proveikosteementárnísíyd o musítedysoučasněpatit d o = dα. Porovnánímobouvýrazůprod o dostanemeveikost vnitřnísíyatahové napětí, které sía v prstenci vyvoá: = ω 2 r 2 bh, σ= bh = ω2 r 2. (19) b a) b) c) h r O ω dα dα d o d o Obr. 15 K výpočtu napětí v rotujícím prstenci dα = = b) Působením odstředivých si se obvod prstence zvětší, přičemž pode Hookova zákona pro jeho reativní prodoužení patí ε= 2p(r+ r) 2pr 2pr = r r = σ E = ω2 E r2. Odtud dostaneme zvětšení pooměru prstence r= ω2 E r3. 21
Vzhedemktomu,žehodnota Ejevemiveikávesrovnánísnapětím σ,je r vemi maé ve srovnání s pooměrem r. c) Pode(12) je hustota deformační energie prstence u t = σ2 2E = ω4 r 4 2 2E. Deformační energii ceého prstence dostaneme vynásobením objemem V: U= u t V= u t m = mω4 r 4 2E. Kinetickáenergie Tprstence 3 )omomentusetrvačnosti J= mr 2 je T= 1 2 Jω2 = 1 2 mω2 r 2. Podí obou energií je U T = ω2 r 2 E = σ E, kde σ je napětí(19), které v prstenci při rotaci vzniká. Protože z pevnostních důvodůmůžebýtprooce σ ma 200MPaaE 2 10 11 Pa,jepotenciání deformační energie prstence nejméně 1000krát menší než jeho energie kinetická. Lze ji tedy zanedbat. 2.7 Úohykekapitoe2 1. Řetěz Řetězkezvedáníbřemendohmotnosti2500kgmábýtzhotovenzocei11370 (σ kt =200MPa).Navrhnětepotřebnýprůměr dčánku.mírubezpečnostivote k=2,0.omeztesejennanamáhánítahovýmisiamivevětvíchčánku. d Obr. 16 Čánek řetězu 3 )Prokinetickouenergiiužijememístosymbou E k symbo T běžnývteoretickémechanice, abychom odstranii koizi se značkou E pro Youngův modu. 22
2. Ladění housové struny Uvažujmeoceovouhousovoue-strunuodéce =325mm(úsekodkobyky nakonechmatníku)aprůměru2r=0,250mm,kterámábýtnaaděnana tón e 1 ofrekvenci f=654hz.jedántepotnísoučinitedékovéroztažnosti α=1,5 10 5 K 1, E=2,05 10 11 Pa, =7,86 10 3 kg m 3.Jeznámvztah mezirychostízvukuvestruně canapínajícísiou: c 2 S=.Vypočtěte a)veikost napínajícísíyanapětí σvestruně, b) prodoužení struny při adění z nenapjatého stavu. 3. Vychýení housové struny Strunuzúohy2vjejímstředupříčněvychýímeoδ =4mm.Jakébude přídavnénapětí σ p ajakécekovénapětí σ c = σ+ σ p,kde σjenapětístruny po jejím naadění? 4. Oceový drát při změně tepoty Mezidvěmapevnýmibody,např.mezidvěmadomy,byzatepoty t=35 C napnutoceovýdrátoprůměru2r=2,00mmsiouoveikosti =30,0N. Vypočtěte a)napětí σvdrátu, b)napětí σ aveikost napínajícísíy,kesne-itepotana t = 5 C. Tepotnísoučinitedékovéroztažnosti α=1,5 10 5 K 1, E=2,05 10 11 Pa. 5. Tahová zkouška Přitahovézkoušceoceovétyčeoprůměru d=20,0mmadéce =200mm byopřizatížení =5,55 10 4 Nzměřenoprodoužení =0,172mmapříčné zúžení d =4,9 10 3 mm.tytohodnotybyyurčenyzastavupodmezí pružnosti. Určete napětí, Youngův modu a Poissonovo číso zkoumané ocei. 6. Podpěrný soup Ve stavební konstrukci je třeba navrhnout reativně krátký soup z šedé itiny, jehožprůřezmátvarmezikružíovnějšímprůměru d=100mm.nasoup připadátíhovásíaveikosti2,5 10 5 N.Vypočtěteminimánítoušťkustěny soupu,jestiže σ pd =500MPa.Vote k =5,0. 7. Důní ano Důníanoodéce =1000m,pošnémobsahupříčnéhořezuvšechdrátů S=500mm 2,dékovéhustotě µ=3,95kg m 1 ayoungověmoduu E= 23