Глава 1 Основные понятия сопротивления материалов
Наука о сопротивлении материалов.
Сопротивлением материалов называют науку об инженерных методах расчета на прочность, жесткость и устойчивость элементов машин и сооружений.
В процессе эксплуатации машин и сооружений их элементы (стержни, балки, пластины, болты, заклепки и др.) в этой или иной степени участвуют в работе конструкций и подвергаются действию различных сил – нагрузок. Для обеспечения нормальной работы конструкция должна удовлетворять необходимым условиям прочности, жесткости и устойчивости.
Под прочностью понимают способность конструкции, ее частей и деталей выдерживать определенную нагрузку не разрушаясь.
Под жесткостью подразумевают способность конструкции и ее элементов противостоять внешним нагрузкам в отношении деформации (изменения формы и размеров). При заданных нагрузках деформации не должны превышать определенной величины, устанавливаемой в соответствии с требованиями, предъявляемыми к конструкции.
Устойчивостью называют способность конструкции или ее элементов сохранять определенную начальную форму упругого равновесия.
Чтобы конструкция в целом отвечала требованиям прочности, жесткости и устойчивости, а следовательно, была надежной в эксплуатации, необходимо придать ее элементам наиболее рациональную форму и, зная свойство материалов, из которых они будут изготовляться, определить соответствующие размеры в зависимости от величины и характера действующих сил.
Сопротивление материалов является исключительно важной общеинженерной наукой, необходимой для формирования инженеров любой специальности. Без фундаментальных знаний в этой области невозможно создать такие конструкции, как различного рода машины и механизмы, гражданские и промышленные сооружения, мосты, линии электропередач и антенны, ангары, корабли, самолеты и вертолеты, турбомашины, электрические машины, агрегаты атомных станций, ракетной и реактивной техники и др.
Таким образом, сопротивление материалов – это наиболее общая наука о прочности машин и сооружений. Однако она не исчерпывает всех вопросов механики, деформируемых тел. Этими вопросами занимаются и другие смежные дисциплины: строительная механика стержневых систем, теория упругости теория пластичности. Между этими дисциплинами строгую границу провести нельзя. Основная же роль при решении задач прочности принадлежит сопротивлению материалов.
Объекты, изучаемые в сопромате.
При всем разнообразии конструктивных элементов, встречающихся в сооружениях и машинах, их можно свести сравнительно небольшому числу основных форм. Тела, имеющие эти основные формы, и являются объектами расчета на прочность, жесткость и устойчивость. К ним относятся стержни, оболочки, пластинки и массивные тела.
Стержнем или брусом называется тело, у которого один размер (длина) значительно превышает 2 других (поперечных) размера (рис. 1.1а).
Рисунок 1.1 а - Стержень
Стержни у которых толщина стенки значительно меньше габаритных размеров поперечного сечения, называют тонкостенными (рис. 1.1 б). В настоящее время они широко применяются в строительных конструкциях, судо- и особенно в авиастроении.
Рисунок 1.1 б - Швеллер
Оболочка представляет собой тело, ограниченное криволинейными поверхностями, расположенными на близком расстоянии друг от друга.
Если срединная поверхность представляет собой плоскость, то расчетный объект называют пластинкой. К пластинкам могут быть отнесены плоские днища и крышки резервуаров, перекрытия инженерных сооружений, диски турбомашин и т.п.
Тела, у которых все три размера одного порядка, называют массивными телами. К ним относятся фундаменты сооружений, подпорные стенки, и т.п.
В сопротивлении материалов задачи, как правило, решаются простыми математическими методами с привлечением упрощающих гипотез и использованием экспериментальных данных; решение при этом доводят до расчетных формул, пригодных для применения в инженерной практике.
Возникновение науки о сопротивлении материалов связывают с именем знаменитого итальянского ученого Галилео Галилея (1564-1642), проводившего опыты по изучению прочности, хотя истоки этой науки мы видим уже в творениях великого Леонардо да Винчи.