Глава 2. Эпюры внутренних силовых факторов

§1. Внешние силы и их классификация

Внешними силами называют силы взаимодействия между рассматриваемым элементом конструкции и связанными с ними телами.

Если внешние силы являются результатом непосредственного, контактного взаимодействия данного тела с другими телами, то они приложены только к точкам поверхности тела в месте контакта и называются поверхностными силами. Поверхностные силы могут быть непрерывно распределены по всей поверхности тела или ее части; например: давление пара в котле, ветровая и снеговая нагрузки, давление газа в цилиндре двигателя. Величина нагрузки, приходящаяся на единицу площади, называется интенсивностью нагрузки. Ее обозначают обычно p и измеряют в паскалях (Па) или кратных ему единицах (кПа, МПа, ГПа). Часто нагрузку, распределенную по поверхности (рисунок 2.1, а) приводят к главной плоскости (рисунок 2.1, б), в результате чего получается нагрузка, распределенная по линии, или погонная нагрузка. Интенсивностью такой нагрузки (Н/м, кН/м, МН/м) называют величину нагрузки, приходящуюся на единицу длины линии. Интенсивность может быть переменной по этой длине. Характер изменения нагрузки обычно показывают в виде эпюры (графика) q.

В случае равномерно распределенной нагрузки (рисунок 2.1, а) эпюра q прямоугольная (рисунок 2.1, б). При действии гидростатического давления эпюра нагрузки q треугольная (рисунок 2.2). Встречаются эпюры q и более сложного вида: трапециевидная, синусоидальная и так далее.

Отметим, что равнодействующая распределенной нагрузки численно равна площади ее эпюры и приложена в центре ее тяжести.

Если нагрузка распределена по небольшой части поверхности тела, то ее всегда заменяют равнодействующей, которую называют сосредоточенной силой F (Н, кН или МН). Кроме того, встречаются нагрузки, которые могут быть представлены в виде сосредоточенного момента (пары). Моменты M (Нм, кНм или МНм) будем изображать обычно одним из двух способов, показанных на рисунках 2.3, а и 2.3, б. Иногда момент удобно представлять в виде вектора, перпендикулярного к плоскости действия пары. Вектор момента условимся всегда считать правовинтовым. Чтобы отличать его от вектора силы, линию вектора-момента делают волнистой (рисунок 2.3, г) или ставят две стрелки (рисунок 2.3, в).

Встречаются такие нагрузки, которые не являются результатом контакта двух тел, например: собственный вес, силы инерции движущегося тела и прочие. Эти силы приложены в каждой точке объема, занятого телом, а потому называются объемными или массовыми силами. Собственный вес деталей или частей машин и сооружений обычно меньше других нагрузок, действующих на них. Поэтому, если нет особой оговорки, во всем дальнейшем изложении собственный вес принимать во внимание не будем.

В зависимости от характера приложения сил во времени различают нагрузки статические и динамические. Нагрузка считается статической, если она сравнительно медленно и плавно (хотя бы в течение нескольких секунд) возрастает от нуля до своего конечного значения, а затем остается неизменной. При этом можно пренебречь ускорениями деформируемых масс, а значит, и силами инерции.

Динамические нагрузки сопровождаются значительными ускорениями как деформированного тела, так и взаимодействующих с ним тел. При этом возникают силы инерции, которыми нельзя пренебречь. Динамические нагрузки делят на мгновенно приложенные, ударные и повторно-переменные.

Нагрузка считается мгновенно-приложенной, если она возрастает от нуля до своего конечного значения за в течение очень короткого промежутка времени (долей секунды). Такова нагрузка при воспламенении горючей смеси в цилиндре двигателя внутреннего сгорания или при трогании с места железнодорожного состава.

Для ударной нагрузки характерно то, что в момент ее приложения тело, вызывающее нагрузку, обладает определенной кинетической энергией. Такая нагрузка получается, например, при забивании сваи с помощью копра, в деталях механического кузнечного молота и так далее.

Многие детали машин (шатуны, валы, оси железнодорожных вагонов и прочие) подвержены действию нагрузок, непрерывно и периодически меняющихся во времени. Такие нагрузки называют повторно-переменными. Они, как правило, сопряжены с циклически повторяющимися движениями детали. Это вращательно-поступательное движение штока поршня, колебания элементов конструкций и другое.