5. Распределение нагрузки

    Воздействие на детали, конструкции, элементы механизмов может быть задано распределенными нагрузками: в плоской системе задается интенсивность действия по длине конструкции, в пространственной системе – по площади.

   Размерность для линейной нагрузки - Н/м, для нагрузки распределенной по площади - Н/м², для объемной (например при учете собственного веса элементов конструкции) - Н/м³.

    Например, на рисунке 1.23, а приведена равномерно распределенная по длине AB  нагрузка интенсивностью q , измеряемая в Н/м. Эта нагрузка может быть заменена сосредоточенной силой

Q = q⋅ AB  [Н],

приложенной в середине отрезка AB . На рисунке 1.23, б показана равномерно убывающая (возрастающая) нагрузка, которая может быть заменена равнодействующей силой

Q = 1/2 q_max⋅ AB,

приложенной в точке C , причем AC = 2/3 AB . 

    В произвольном случае, зная функцию q(x)  (рисунок 1.23, в), рассчитываем эквивалентную силу

    Эта сила приложена в центре тяжести площади, ограниченной сверху от балки  AB линией q(x).

Рисунок 1.23

    Примером может служить расчет усилий, разрывающих стенки баллона со сжатым газом. Определим результирующую силу давления в секторе трубы при интенсивности q [Н/м]; R – радиус трубы, 2α  – центральный угол, ось Ox  – ось симметрии (рисунок 1.24).

    Выделим элемент сектора с углом ∆φ  и определим силу ∆Q , действующую на плоский элемент дуги:

 ∆Q = q⋅ ∆l = q⋅ R⋅ ∆φ. (1.14)

Рисунок 1.24

    Проекция этой силы на ось Ox будет

 ∆Q_x = q⋅ R⋅ ∆φ⋅ cosφ. (1.15)

    В силу симметрии элемента трубы (с дугой AB ) относительно оси Ox проекция результирующей силы на ось Oy    

 Q_y = 0, т.е. Q = Q_x , (1.16)

где АВ – хорда, стягивающая концы дуги.

    Для цилиндрической емкости высотой  h и внутренним давлением P  на стенки действует нагрузка интенсивностью q = p [Н/м2]. Если цилиндр рассечен по диаметру (рисунок 1.25), то равнодействующая этих сил равна F = q⋅ d⋅ h ( d – внутренний диаметр);F = p⋅ 2R⋅ h .

Разрывающие баллон по диаметру усилия:

 S₁ = S₂ = S; 2S = F; S = phR. (1.18)

Рисунок 1.25

    Если принять a  – толщина стенки, то (пренебрегая усилиями в крышке и дне цилиндра) растягивающее напряжение в стенке равно

6. Геометрический способ определения равнодействующей плоской системы

Система сил, линии действия которых пе­ресекаются в одной точке, называется сходя­щейся (рис. 2.1).

Необходимо определить равнодействую­щую системы сходящихся сил (F1; F2; F3; …; Fn), n — число сил, входящих в систему

По следствию из аксиом статики, все си­лы системы можно переместить вдоль линии действия, и все силы окажутся приложенными в одной точке.

Рис. 2.1

Равнодействующая сходящихся сил

Равнодействующую двух пересекающихся сил можно опреде­лить с помощью параллелограмма или треугольника сил (4-я ак­сиома) (рис. 2.2).

Рис. 2.2

Используя свойства векторной суммы сил, можно получить равнодействующую любой сходящейся системы сил, складывая последовательно силы, входящие в систему. Образуется многоугольник сил (рис. 2.3). Вектор равнодействующей силы соединит начало первого вектора с концом последнего.

При графическом способе определения равнодействующей век­торы сил можно вычерчивать в любом порядке, результат (величина и направление равнодействующей) при этом не изменится.

Рис. 2.3

Вектор равнодействующей направлен навстречу векторам сил-слагаемых. Такой способ получения равнодействующей называют геометрическим.

7. Геометрическое условие равновесия плоской системы сходящихся сил.

(F₁, F₂, ... ,F_n)~R => для равновесия тела, находящегося под действием системы сходящихся сил, необходимо и достаточно, чтобы их равнодействующая равнялась нулю: R = 0. Следовательно, в силовом многоугольнике уравновешенной системы сходящихся сил конец последней силы должен совпадать с началом первой силы; в этом случае говорят, что силовой многоугольник замк­нут (рис. 2.3). Это условие исполь­зуется при графическом решении задач для плоских систем сил. Векторное равенство R=0 эквивалентно трем скалярным равен­ствам: R_x=åF_kx=F_1x+F_2x+…+F_nx=0; R_y=åF_ky=F_1y+F_2y+…+F_ny=0; R_z=åF_kz=F_1z+F_2z+…+F_nz=0; где F_kx, F_ky, F_kz– проекции силы F_k на оси, а R_x, R_y, R_z– проекции равнодействующей на те же оси. Т. е. для равновесия сходящейся системы сил необходимо и достаточно равенства нулю алгебраических сумм проекций всех сил данной си­стемы на каждую из координатных осей. Для плоской системы сил пропадает условие, связанное с осью Z. Условия равновесия позволяют проконтролировать, нахо­дится ли в равновесии заданная система сил.