Часть 2 «Сопротивление материалов»

Лекция 5. Тема 5. Введение в сопротивление материалов.

Цель лекции – показать место курса «Сопротивление материалов» в учебном процессе, его значение для технических специалистов и связь с другими дисциплинами, изучаемыми в ВУЗе; изложить вводные положения, понятия, термины, определения и упрощающие допущения (гипотезы); дать общую классификацию элементов конструкций и внешних нагрузок, действующих на них.

План лекции (курсивом – материалы для СРС)

4. Общие вводные положения курса «Сопротивление материалов», значение его изучения для технических специалистов (инженеров), основные термины и определения.

5. Общая классификация элементов конструкций.

6. Классификация внешних нагрузок, действующих на элементы конструкций.

5.1. Общие вводные положения курса «Сопротивление материалов», значение его изучения для технических специалистов (инженеров), основные термины и определения

Технические сооружения и устройства, создаваемые человеком (например, машиностроительные и строительные конструкции, промышленное оборудование и др.), в процессе эксплуатации подвергаются различным внешним воздействиям (действию внешних нагрузок, перепадов температуры окружающей среды, осадки опорных устройств и т.д.). При этом в элементах, из которых они состоят, в ответ на внешние воздействия возникают деформации и внутренние усилия. Определенным совокупностям внешних нагрузок соответствуют деформации и поля распределений внутренних усилий в элементах конструкций и связях между ними.

Сопротивление материалов – это раздел механики, в котором изучаются методы определения внутренних усилий и деформаций, возникающих в элементах конструкций под действием внешних нагрузок (или при иных воздействиях, например, перепада температуры окружающей среды, осадки опорных устройств сооружений и др.), что необходимо для проведения инженерных расчетов конструкций на прочность, жесткость и устойчивость.

Рассмотрим основные понятия, содержащиеся в этом определении.

Внутренние усилия – это совокупность силовых факторов (сосредоточенных или распределенных сил, моментов сил), которые возникают в теле элемента конструкции как реакции на воздействие внешних нагрузок (или иных факторов) различного характера. При этом внешние нагрузки и внутренние усилия образуют уравновешенную систему сил, которая описывается методами теоретической механики (уравнениями статического или динамического равновесия) или специально разработанными методами сопротивления материалов (механики твердого деформированного тела). Например, человек постоянно ощущает напряжения (внутренние усилия) в тех или иных группах мышц при воздействиях на него внешних нагрузок различного характера (в том числе от силы тяжести собственного тела). Для определения внутренних усилий в курсе «Сопротивление материалов» используется метод сечений – один из фундаментальных методов инженерных расчетов различных конструкций. Изучение и применение метода сечений рассматривается ниже, в соответствующих разделах курса.

Деформации – это изменения формы и размеров материальных тел, возникающие в результате действия на них внешних нагрузок (или при иных воздействиях, например, температурных).

Прочность – это способность элементов конструкций сопротивляться внешним воздействиям в течение заданного срока службы без разрушений или возникновения необратимых деформаций недопустимой величины. Прочность является важнейшим критерием работоспособности всех элементов конструкций.

Жесткость – это способность элементов конструкций сопротивляться деформациям при различных внешних воздействиях. Жесткость также является важнейшим критерием работоспособности многих элементов конструкций, деформации которых не должны превышать определенных значений по соображениям нормальной эксплуатации конструкции, что регламентируется техническими нормативами в соответствующей справочной литературе.

Устойчивость – это способность элементов конструкций сохранять начальную форму равновесия после приложения внешних нагрузок, вызывающих возникновение в них внутренних усилий сжимающего характера. Например, прямолинейная колонна строительного сооружения (здания) должна сохранять свою начальную прямолинейную форму после приложения к ней внешних сжимающих нагрузок в процессе монтажа и при последующей эксплуатации сооружения. Потерей устойчивости первоначально прямолинейного стержневого элемента конструкции считается состояние его значительного изгибного искривления (выпучивания) при определенных значениях сжимающих продольных нагрузок. Устойчивость является важнейшим критерием работоспособности многих элементов конструкций, в которых при работе возникают сжимающие внутренние усилия.

Одной из главных задач технических специалистов (инженеров) в различных отраслях народного хозяйства является формирование (на этапах проектирования и изготовления) и поддержание (на этапах технической эксплуатации и ремонтов) надежности в пределах заданного ресурса (срока службы) соответствующих технических объектов и устройств в первую очередь по вышеназванным критериям работоспособности (прочности, жесткости и устойчивости).

Упругость – свойство деформированного элемента конструкции полностью возвращаться к начальным размерам и форме после снятия (исключения) внешних воздействий (например, нагрузок). Так, если первоначально прямой стальной стержень изогнуть какой-либо не очень большой нагрузкой, а затем эту нагрузку исключить, то стержень самостоятельно полностью выпрямится под действием внутренних упругих сил, возникших в нем при нагружении. При этом никаких остаточных деформаций в стержне не будет.

Пластичность – свойство деформированного материального тела давать остаточные (пластические) деформации после снятия (исключения) внешних воздействий (нагрузок). Примером материала с очень высокими пластичными свойствами является известный всем пластилин. Если давлением пальца создать углубление в бруске пластилина, то после снятия давления пальца углубление в бруске пластилина останется (что и называется остаточной или пластической деформацией). Строго говоря, размер остаточного углубления будет несколько меньше, чем под давлением пальца, т.к. пластилин все же обладает в небольшой степени упругими свойствами.

Следует отметить, что многие марки сталей, широко применяемые в различных конструкциях, при разных уровнях силовых воздействий могут проявлять упругие, пластические и упруго-пластические свойства, что рассматривается в соответствующих разделах курса.

В курсе «Сопротивление материалов» принимаются определенные упрощающие допущения и рассматриваются, преимущественно, материальные объекты (элементы конструкций), выполненные из материалов, обладающих свойствами однородности, сплошности и изотропности.

Однородность – это свойство твердых тел, характеризующее одинаковость физико-механических свойств во всех точках.

Сплошность – это свойство твердых тел, характеризующее заполняемость материалом всего объема, без пустот.

Изотропность – это свойство твердых тел, характеризующее одинаковость их физических и механических свойств в любых направлениях силового воздействия.

Анизотропия – это свойство твердых тел, характеризующее различные физико-механические характеристики в разных направлениях силового воздействия.