4.8. Закон Гука и принцип независимости действия сил

Многочисленные экспериментальные наблюдения за поведени­ем деформируемых тел показывают, что в определенных диапазо­нах перемещения точек тела пропорциональны действующим на него нагрузкам. Впервые указанная закономерность была высказана в 1776 году английским ученым Р.Гуком и носит название закона Гука.

В соответствии с этим законом перемещение произвольно взя­той точки  А (рис. 4.11, а) нагруженного тела по некоторому направ­лению, например, по оси x, может быть выражено следующим образом:

,

где - сила, под действием которой происходит перемещение u; - коэффициент пропорциональности между силой и перемеще­нием.

Очевидно, что коэффициент зависит от физико-механиче­ских свойств материала, взаимного расположения точки А и точки приложения и направления силы F, а также от геометрических особенностей си­стемы. Таким образом, последнее выражение следует рассматривать как закон Гука для данной системы.

В современной трактовке закон Гука определяет линейную за­висимость между напряжениями и деформациями, а не между си­лой и перемещением.

Для продольной и поперечной деформаций.

Параметры и , входящие в эти формулы, называют модулями упругости материала соответственно первого и второго рода. Они характеризуют его сопротивляемость деформированию, или жесткость в упругой стадии деформации. Численные значения и для каждого конструктивного материала определяются экспериментально. Они имеют размерности напряжений. На практике удобно использовать единицы, кратные паскалю: мегапаскаль (1 МПа=10⁶ Па) и гигапаскаль (1 ГПа=10⁹ Па).

Системы, для которых соблюдается условие пропорционально­сти между напряжениями и деформациями, подчиняются принципу суперпозиции, или принципу независимости действия сил.

То есть, если к системе прило­жено несколько сил, то можно определить внутренние силы, на­пряжения, перемещения и деформации от каждой силы в отдель­ности, а затем результат действия всех сил получить в виде суммы действий каждой силы в отдельности.

Обобщенный закон Гука.

Обобщенный закон Гука представляет собой связь между напряжениями и деформациями в случае объемного, и как частый случай, плоского напряженных состояний.

Он может быть получен на основании закона Гука для линейного напряженного состояния и принципа независимости действия сил.

Пусть задано произвольное объемное напряженное состояние с главными напряжениями и . Представим его в виде суммы трех линейных напряженных состояний. Учитывая, что при линейном напряженном состоянии и запишем выражение для линейной относительной деформации в направлении :

, где - коэффициент Пуассона.

Деформации в направлении действия главных напряжений равны

, , .

Эти выражения носят название обобщенного закона Гука, записанного для главных площадок. Деформации e₁, e₂, e₃, в направлении главных напряжений называются главными деформациями.

Соотношения обобщенного закона Гука могут быть записаны для любых (не главных) площадок, но т.к. при этом будут действовать, кроме нормальных и касательные напряжения, то необходимо добавить три соотношения для вычисления угловых деформаций. Таким образом, для произвольных площадок обобщенный закон Гука содержит 6 соотношений, связывающих деформации и напряжения:

, , ,

, , .