Примеры решения задач технической механике

Здравствуйте на этой странице я собрала теорию и практику с примерами решения задач по предмету техническая механика с решением по каждой теме, чтобы вы смогли освежить знания!

Если что-то непонятно вы всегда можете написать мне в воцап и я вам помогу!

Основные понятия и аксиомы статики

К оглавлению…

Техническая механика — комплексная дисциплина. Она включает три раздела: «Техническая механика», «Сопротивление материалов», «Детали машин». « Техническая механика» — раздел, в котором излагаются основные законы движения твердых тел и их взаимодействия. В разделе «Сопротивление материалов» изучаются основы прочности материалов и методы расчетов элементов конструкций на прочность, жесткость и устойчивость под действием внешних сил. В заключительном разделе «Технической механики» «Детали машин» рассматриваются основы конструирования и расчета деталей и сборочных единиц общего назначения.

Дисциплина «Техническая механика» является общепрофессиональной, обеспечивающей базовые знания при усвоении специальных дисциплин, изучаемых в дальнейшем.

Задачи технической механики:

Техническая механика наука о механическом движении материальных твердых тел и их взаимодействии. Механическое движение понимается как перемещение тела в пространстве и во времени по отношению к другим телам, в частности к Земле.

Для удобства изучения техническую механику подразделяют на статику, кинематику и динамику.

Статика изучает условия равновесия тел под действием сил.

Кинематика рассматривает движение тел как перемещение в пространстве; характеристики тел и причины, вызывающие движение, не рассматриваются.

Динамика изучает движение тел под действием сил.

В отличие от физики техническая механика изучает законы движения некоторых абстрактных абсолютно твердых тел: здесь материалы, форма тел существенного значения не имеют. При движении абсолютно твердое тело не деформируется и не разрушается. В случае, когда размерами тела можно пренебречь, тело заменяют материальной точкой. Это упрощение, принятое в технической механике, значительно облегчает решение задач о движении.

Лекции:

Задача №1.

Груз подвешен на стержнях и канатах и находится в равновесии (рис. 1.13). Изобразить систему сил, действующих на шарнир .

Решение:

Реакции стержней направлены вдоль стержней, реакции гибких связей направлены вдоль нитей в сторону натяжения (рис. 1.13а).
Для определения точного направления усилий в стержнях мысленно убираем последовательно стержни 1 и 2. Анализируем возможные перемещения точки . Неподвижный блок с действующими на него силами не рассматриваем.
Убираем стержень 1. точка поднимается и отходит от стены, следовательно, реакция стержня 1 направлена к стене.
Убираем стержень 2, точка поднимается и приближается к стене, следовательно, реакция стержня 2 направлена от стены вниз.
Канат тянет вправо.
Освобождаемся от связей (рис. 1.136).

Задача №2.

Шар подвешен на нити и опирается на стену (рис. 1.14а). Определить реакции нити и гладкой опоры (стенки).

Решение:

Реакция нити — вдоль нити к точке вверх (рис. 1.146).
Реакция гладкой опоры (стенки) — по нормали от поверхности опоры.

Плоская система сходящихся сил. Определение равнодействующей геометрическим способом

К оглавлению…

Знать геометрический способ определения равнодействующей системы сил, условия равновесия плоской системы сходящихся сил.

Уметь определять равнодействующую, решать задачи на равновесие в геометрической форме.

Лекции:

Решение задач на равновесие геометрическим способом

К оглавлению…

Геометрическим способом удобно пользоваться, если в системе три силы. При решении задач на равновесие тело считать абсолютно твердым (отвердевшим).

Порядок решения задач:

Определить возможное направление реакций связей.
Вычертить многоугольник сил системы, начиная с известных сил в некотором масштабе. (Многоугольник должен быть замкнут, все векторы-слагаемые направлены в одну сторону по обходу контура.)
Измерить полученные векторы сил и определить их величину, учитывая выбранный масштаб.
Для уточнения решения рекомендуется определить величины векторов (сторон многоугольника) с помошью геометрических зависимостей.

Задача №3.

Груз подвешен на стержнях и находится в равновесии. Определить усилия в стержнях (рис. 2.5а).

Решение:

Усилия, возникающие в стержнях крепления, по величине равны силам, с которыми стержни поддерживают груз (5-я аксиома статики) (рис. 2.5а). Определяем возможные направления реакций связей «жесткие стержни».

Усилия направлены вдоль стержней.

Освободим точку от связей, заменив действие связей их реакциями (рис. 2.56).
Система находится в равновесии. Построим треугольник сил.

Построение начнем с известной силы, вычертив вектор в некотором масштабе.

Из концов вектора проводим линии, параллельные реакциям и .

Пересекаясь, линии создадут треугольник (рис. 2.5в). Зная масштаб построений и измерив длину сторон треугольника, можно определить величину реакций в стержнях.

Для более точных расчетов можно воспользоваться геометрическими соотношениями, в частности теоремой синусов: отношение стороны треугольника к синусу противоположного угла — величина постоянная

Для данного случая:

Замечание. Если направление вектора (реакции связи) на заданной схеме и в треугольнике сил не совпало, значит, реакция на схеме должна быть направлена в противоположную сторону.

Задача №4.

Груз подвешен на стержнях и канатах и находится в равновесии. Определить усилия в стержнях (рис. 2.6а).

Решение:

Нанесем на схему возможные направления усилий, приложенных в точке . Реакции стержней — вдоль стержней, усилие от каната — вдоль каната от точки к точке .
Груз находится в равновесии, следовательно, в равновесии находится точка , в которой пересекаются три силы.

Освободим точку от связей и рассмотрим ее равновесие (рис. 2.66).

Замечание. Рассмотрим только силы, приложенные к точке . Груз растягивает канат силой 45 кН по всей длине, поэтому усилие от каната известно: .

Строим треугольник для сил, приложенных в точке , начиная с известной силы . Стороны треугольника параллельны предполагаемым направлениям сил, приложенных в точке .

Образовался прямоугольный треугольник (рис. 2.6в).

Неизвестные реакции стержней можно определить из соотношений в прямоугольном треугольнике:

Замечание. При равновесии векторы сил в треугольнике направлены один за другим (обходим треугольник по часовой стрелке). Сравним направления сил в треугольнике с принятыми в начале расчета на рис. 1.26а. Направления совпали, следовательно, направления реакций определены верно.

Плоская система сходящихся сил. Определение равнодействующей аналитическим способом

К оглавлению…

Знать аналитический способ определения равнодействующей силы, условия равновесия плоской сходящейся системы сил в аналитической форме.

Уметь определять проекции силы на две взаимно перпендикулярные оси, решать задачи на равновесие в аналитической форме.

Лекции:

Задача №5.

Определить величины и знаки проекций представленных на рис. 3.6 сил.

Решение:

Задача №6.

Определить величину и направление равнодействующей плоской системы сходящихся сил аналитическим способом.

Решение:

Определяем проекции всех сил системы на (рис. 3.7а):

Сложив алгебраически проекции, получим проекцию равнодействующей на ось .

Знак говорит о том, что равнодействующая направлена влево.

Определяем проекции всех сил на ось значения проекций, получим величину проекции .

Сложив алгебраически значения проекций, получим величину проекции равнодействующей на ось .

Знак проекции соответствует направлению вниз. Следовательно, равнодействующая направлена влево и вниз (рис. 3.76).

Определяем модуль равнодействующей по величинам проекций:

Определяем значение угла равнодействующей с осью :

и значение угла с осью :

Задача №7.

Система трех сил находится в равновесии. Известны проекции двух сил системы на взаимно перпендикулярные оси и :

Определить, чему равна и как направлена третья сила системы.

Решение:

Из уравнений равновесия системы определяем:

По полученным величинам проекций определяем модуль силы:

Направление вектора силы относительно оси (рис. 3.8):

Угол с осью будет равен

Пара сил и момент силы относительно точки

К оглавлению…

Знать обозначение, модуль и определение моментов пары сил и силы относительно точки, условия равновесия системы пар сил.

Уметь определять моменты пар сил и момент силы относительно точки, определять момент результирующей пары сил.

Лекции:

Задача №8.

Дана пара сил ; плечо 2 м. Заменить заданную пару сил эквивалентной парой с плечом 0,7 м (рис. 4.5).

Решение:

Пары сил эквивалентны, если моменты этих пар численно равны:

Задача №9.

Дана система пар сил (рис. 4.6). Определить момент результирующей пары.

Решение:

Момент результирующей па-равен алгебраической сумме моментов пар системы:

Подставив численные значения, получим:

Знак свидетельствует о том, что момент вызывает вращение по часовой стрелке. Величину силы и плеча определить не удается.

Примечание. Чтобы уравновесить данную систему пар, необходимо приложить пару сил, равную по модулю и направленную в обратную сторону. Такую пару сил называют уравновешивающей.

Задача №10.

Рассчитать сумму моментов сил относительно точки (рис. 4.7).

Решение:

Момент силы относительно точки численно равен произведению модуля силы на плечо силы.
Момент силы равен нулю, если линия действия силы проходит через точку.

Плоская система произвольно расположенных сил

К оглавлению…

Иметь представление о главном векторе, главном моменте равнодействующей плоской системы произвольно расположенных сил.

Знать теорему Пуансо о приведении силы к точке, приведение произвольной плоской системы сил к точке, три формы уравнений равновесия.

Уметь заменять произвольную плоскую систему сил одной силой и одной парой.

Лекции:

Задача №11.

Найти момент присоединенной пары при переносе силы в точку (рис. 5.3).

Решение:

Используем теорему Пуансо.

Задача №12.

Найти главный вектор системы (рис. 5.4).

Решение:

Главный вектор равен геометрической сумме сил:

Задача №13.

Найти главный момент системы относительно точки (использовать данные примера 2).

Решение:

Главный момент равен алгебраической сумме моментов сил относительно точки приведения:

Задача №14.

К телу приложена уравновешенная система сил (рис. 5.5). Две из них неизвестны. Определить неизвестные силы.

Решение:

Наносим оси координат и используем уравнения равновесия:

Балочные системы. Определение реакций опор и моментов защемления

К оглавлению…

Иметь представление о видах опор и возникающих реакциях в опорах.

Знать три формы уравнений равновесия и уметь их использовать для определения реакций в опорах балочных систем.

Уметь выполнять проверку правильности решения.

Лекция:

Виды нагрузок и разновидности опор

Задача №15.

Одноопорная (защемленная) балка нагружена сосредоточенными силами и парой сил (рис. 6.7). Определить реакции заделки.

Решение:

В заделке может возникнуть реакция, представляемая двумя составляющими . и реактивный момент . Наносим на схему балки возможные направления реакций.

Замечание. Если направления выбраны неверно, при расчетах получим отрицательные значения реакций. В этом случае реакции на схеме следует направить в противоположную сторону, не повторяя расчета.

В силу малой высоты считают, что все точки балки находятся на одной прямой; все три неизвестные реакции приложены в одной точке. Для решения удобно использовать систему уравнений равновесия в первой форме. Каждое уравнение будет содержать одну неизвестную.

Используем систему уравнений:

Знаки полученных реакций (+), следовательно, направления реакций выбраны верно.

Для проверки правильности решения составляем уравнение моментов относительно точки /

Подставляем значения полученных реакций:

Решение выполнено верно.

Задача №16.

Двухопорная балка с шарнирными опорами и нагружена сосредоточенной силой , распределенной нагрузкой с интенсивностью и парой сил с моментом (рис. 6.8а). Определить реакции опор.

Решение:

Левая опора (точка ) — подвижный шарнир, здесь реакция направлена перпендикулярно опорной поверхности.

Правая опора (точка ) — неподвижный шарнир, здесь наносим две составляющие реакции вдоль осей координат. Ось совмещаем с продольной осью балки.

Поскольку на схеме возникнут две неизвестные вертикальные реакции, использовать первую форму уравнений равновесия нецелесообразно.
Заменяем распределенную нагрузку сосредоточенной:

Сосредоточенную силу помещаем в середине пролета, далее задача решается с сосредоточенными силами (рис. 6.86).

Наносим возможные реакции в опорах (направление произвольное).
Для решения выбираем уравнение равновесия в виде

Составляем уравнения моментов относительно точек крепления:

Реакция направлена верно.

Реакция отрицательная, следовательно, нужно направить в противоположную сторону.

Используя уравнение проекций, получим:

— горизонтальная реакция в опоре .

Реакция отрицательна, следовательно, на схеме ее направление будет противоположно выбранному.

Проверка правильности решения. Для этого используем четвертое уравнение равновесия

Подставим полученные значения реакций. Если условие выполнено, решение верно:

Пространственная система сил

К оглавлению…

Знать момент силы относительно оси, свойства момента, аналитический способ определения равнодействующей, условия равновесия пространственной системы сил.

Уметь выполнять разложение силы на три взаимно перпендикулярные оси, определять момент силы относительно оси.

Пространственная система сил — система сил, линии действия которых не лежат в одной плоскости.

Лекции:

Задача №17.

На тело в форме куба с ребром действуют три силы (рис. 7.6). Определить моменты сил относительно осей координат, совпадающих с ребрами куба.

Решение:

Моменты сил относительно оси :

Моменты сил относительно оси :

Моменты сил относительно оси :

Задача №18.

На горизонтальном валу закреплены два колеса, ; Остальные размеры — на рис. 7.7. К колесу 1 приложена сила , к колесу 2 — силы .

Определить силу и реакции в шарнирах и в состоянии равновесия.

Напомним:

При равновесии выполняются шесть уравнений равновесия.

Уравнения моментов следует составлять относительно опор и .

Силы .

Моменты этих сил относительно соответствующих осей равны нулю.

Расчет следует завершить проверкой, использовав дополнительные уравнения равновесия.

Решение:

Определяем силу , составив уравнение моментов сил относительно оси .

Определяем реакции в опоре . На опоре действуют две составляющие реакции .

Составляем уравнение моментов сил относительно оси (в опоре ).

Поворот вокруг оси не происходит:

Знак «минус» означает, что реакция направлена в противоположную сторону.

Поворот вокруг оси не происходит, составляем уравнение моментов сил относительно оси (в опоре ):

Определяем реакции в опоре . На опоре действуют две составляющие реакции . Составляем уравнение моментов сил относительно оси (опора ):

Составляем уравнение моментов относительно оси (опора ):

Проверка. Используем уравнения проекций:

Расчет выполнен верно.

Центр тяжести

К оглавлению…

Иметь представление о системе параллельных сил и центре системы параллельных сил, о силе тяжести и центре тяжести.

Знать методы для определения центра тяжести тела и формулы для определения положения центра тяжести плоских фигур.

Уметь определять положение центра тяжести простых геометрических фигур, составленных из стандартных профилей.

Лекции:

Задача №19.

Определить положение центра тяжести фигуры, представленной на рис. 8.4.

Решение:

Разбиваем фигуру на три части:

1 — прямоугольник,

2 — треугольник,

3 — круг,

ЦТ фигуры 1:

ЦТ фигуры 2:

ЦТ фигуры 3:

Аналогично определяется

Задача №20.

Определить координаты центра тяжести составного сечения. Сечение состоит из листа и прокатных профилей (рис. 8.5).

Решение:

Примечание. Часто рамы сваривают из разных профилей, создавая необходимую конструкцию. Таким образом, уменьшается расход металла и образуется конструкция высокой прочности.

Для стандартных прокатных профилей собственные геометрические характеристики известны. Они приводятся в соответствующих стандартах.

Обозначим фигуры номерами и выпишем из таблиц необходимые данные:

1 — швеллер № 10 (ГОСТ 8240-89); высота ; ширина полки ; площадь сечения ;

2 — двутавр № 16 (ГОСТ 8239-89); высота 160 мм; ширина полки 81 мм; площадь сечения ;

3 — лист 5×100; толщина 5 мм; ширина 100 мм; площадь сечения .

Координаты центров тяжести каждой фигуры можно определить по чертежу.

Составное сечение симметрично, поэтому центр тяжести находится на оси симметрии и координата .

Швеллер 1: .

Двутавр 2: .

Лист 3: .

Определение центра тяжести составного сечения:

Основные понятия кинематики. Кинематика точки

К оглавлению…

Иметь представление о пространстве, времени, траектории, пути, скорости и ускорении.

Знать способы задания движения точки (естественный и координатный).

Знать обозначения, единицы измерения, взаимосвязь кинематических параметров движения, формулы для определения скоростей и ускорений (без вывода).

Кинематика рассматривает движение как перемещение в пространстве. Причины, вызывающие движение, не рассматриваются. Кинематика устанавливает способы задания движения и определяет методы определения кинематических параметров движения.

Лекция:

Основные понятия кинематики

Задача №21.

Дано уравнение движения точки: Определить скорость точки в конце третьей секунды движения и среднюю скорость за первые 3 секунды.

Решение:

Уравнение скорости

Скорость в конце третьей секунды

Средняя скорость

Задача №22.

Точка движется по кривой радиуса согласно уравнению (рис. 9.6).

Определить полное ускорение точки в конце второй секунды движения и указать направление касательной и нормальной составляющих ускорения в точке .

Решение:

Касательное ускорение определяется как

Уравнение скорости: .

Скорость будет равна .

Касательное ускорение: .

Вывод: касательное ускорение не зависит от времени, оно постоянно.

Нормальное ускорение: .

Скорость на второй секунде будет равна .

Величина нормального ускорения: .

Полное ускорение: .

Полное ускорение в конце второй секунды:

Нормальное ускорение направлено перпендикулярно скорости к центру дуги.

Касательное ускорение направлено по касательной к кривой и совпадает с направлением скорости, т. к. касательное ускорение — положительная величина (скорость растет).

Кинематика точки

К оглавлению…

Иметь представление о скоростях средней и истинной, об ускорении при прямолинейном и криволинейном движениях, о различных видах движения точки.

Знать формулы {без вывода) и графики равномерного и равнопеременного движений точки.

Уметь определять параметры движения точки по заданному закону движения, строить и читать кинематические графики.

Лекция:

Задача №23.

По заданному закону движения определить вид движения, начальную скорость и касательное ускорение точки, время до остановки.

(Рекомендуется обойтись без расчетов, использовать метод сравнения заданного уравнения с уравнениями различных видов движений в общем виде.)

Решение:

Вид движения: равнопеременное .

При сравнении уравнений очевидно, что

— начальный путь, пройденный до начала отсчета 10 м;

— начальная скорость 20 м/с;

— постоянное касательное ускорение — .

— ускорение отрицательное, следовательно, движение замедленное (равнозамедленное), ускорение направлено в сторону, противоположную направлению скорости движения.

Можно определить время, при котором скорость точки будет равна нулю:

Примечание. Если при равнопеременном движении скорость растет, значит, ускорение — положительная величина, график пути — вогнутая парабола. При торможении скорость падает, ускорение (замедление) — отрицательная величина, график пути — выпуклая парабола (рис. 10.4).

Задача №24.

Точка движется по желобу из точки в точку (рис. 10.5).

Как изменятся касательное и нормальное ускорения при прохождении точки через и ?

Скорость движения считать постоянной. Радиус участка , радиус участка .

Решение:

Рассмотрим участок . Касательное ускорение равно нулю .

Нормальное ускорение при переходе через точку увеличивается в 2 раза, оно меняет направление, т. к. центр дуги не совпадает с центром дуги .

На участке :

— касательное ускорение равно нулю: ;

— нормальное ускорение при переходе через точку меняется: до точки движение вращательное, после точки движение становится прямолинейным, нормальное напряжение на прямолинейном участке равно нулю.

На участке полное ускорение равно нулю.

Задача №25.

По заданному графику скорости найти путь, пройденный за время движения (рис. 10.6).

Решение:

По графику следует рассмотреть три участка движения. Первый участок — разгон из состояния покоя (равноускоренное движение).

Уравнение скорости .

Ускорение .

Второй участок — равномерное движение: .

Третий участок — торможение до остановки (равнозамедленное движение).

Уравнение скорости .

Ускорение

Путь, пройденный за время движения, будет равен: первый участок:

второй участок:

третий участок:

Путь за время движения

Задача №26.

Тело, имевшее начальную скорость 36 км/ч, прошло 50 м до остановки. Считая движение равнозамедленным, определить время торможения.

Решение:

Записываем уравнение скорости для равнозамедленного движения:

Определяем начальную скорость в м/с: .

Выразим ускорение (замедление) из уравнения скорости: .

Записываем уравнение пути:

После подстановки получим:

Определяем время до полной остановки (время торможения):

Простейшие движения твердого тела

К оглавлению…

Иметь представление о поступательном движении, его особенностях и параметрах, о вращательном движении тела и его параметрах.

Знать формулы для определения параметров поступательного и вращательного движений тела.

Уметь определять кинематические параметры тела при поступательном и вращательном движениях, определять параметры любой точки тела.

Лекция:

Задача №27.

По заданному графику угловой скорости (рис. 11.8) определить вид вращательного движения.

Решение:

Участок 1 — неравномерное ускоренное движение, .
Участок 2 — скорость постоянна — движение равномерное, .
Участок 3 — скорость убывает равномерно — равнозамедленное движение, .

Задача №28.

Ротор электродвигателя вращается со скоростью, описываемой уравнением . Определить вид движения.

Решение:

Анализируем выражение для скорости: скорость меняется и зависит от времени линейно. Следовательно, угловое ускорение — постоянно, .
Движение равнопеременное (равноускоренное, т. к. ускорение положительно).

Задача №29.

Тело вращалось равноускоренно из состояния покоя и сделало 360 оборотов за 2 мин. Определить угловое ускорение.

Решение:

Один оборот равен радиан. Следовательно:

Закон равнопеременного вращательного движения

В данном случае .

Следовательно,

Откуда

Угловое ускорение равно

Задача №30.

Тело вращалось с угловой частотой 1200 об/мин. Затем движение стало равнозамедленным, и за 30 секунд скорость упала до 900 об/мин. Определить число оборотов тела за это время и время до полной остановки.

Решение:

Построить график изменения скорости за 30 с (рис. 11.9).

Определяем угловую скорость вращения тела:

Определяем угловое ускорение:

Определяем угол поворота за прошедшее время:

Число оборотов за 30 с:

Определяем время до полной остановки. Скорость при остановке равна нулю, . Таким образом, . Тогда .

Задача №31.

Маховое колесо вращается равномерно со скоростью 120 об/мин (рис. 11.10). Радиус колеса 0,3 м. Определить скорость и полное ускорение точек на ободе колеса, а также скорость точки, находящейся на расстоянии 0,15 м от центра.

Решение:

Угловая скорость

Линейная скорость на ободе колеса

Скорость в точке (рис. 11.10)

Угловое ускорение

Касательное ускорение точки ; нормальное ускорение точки

Полное ускорение точек на ободе колеса

Сложное движение точки. Сложное движение твердого тела

К оглавлению…

Иметь представление о системах координат, об абсолютном, относительном и переносном движениях.

Знать разложение сложного движения на относительное и переносное, теорему сложения скоростей.

Знать разложение плоскопараллельного движения на поступательное и вращательное, способы определения мгновенного центра скоростей.

Лекции:

Задача №33.

Рассмотрим механизм, в котором стержень вращается вокруг точки со скоростью . Вдоль стержня перемещается ползун со скоростью (рис. 12.8). Определить абсолютную скорость точки .

Решение:

Относительное движение -вдоль стержня; скорость
Переносное движение — вращение стержня; скорость
Скорость абсолютного движения

Задача №34.

Стержень соскальзывает вниз, опираясь концами о стену и пол (рис. 12.9).

Длина стержня 1,5 м; в момент, изображенный на чертеже, скорость точки . Найти скорость точки .

Найдем положение МЦС. Скорости точек и направлены вдоль стены и вдоль пола. Восстанет вливая перпендикуляры к векторам скоростей, находим МЦС.
По известной скорости определяем угловую скорость стержня:

Скорость точки :

Основные понятия и аксиомы динамики. Понятие о трении

К оглавлению…

Иметь представление о массе тела и ускорении свободного падения, о связи между силовыми и кинематическими параметрами движения, о двух основных задачах динамики.

Знать аксиомы динамики и математическое выражение основного закона динамики.

Знать зависимости для определения силы трения.

Лекции:

Задача №35.

Свободная материальная точка, масса которой 5 кг, движется согласно уравнению . Определить величину движущей силы.

Решение:

Ускорение точки:
Действующая сила согласно основному закону динамики .

Задача №36.

К двум материальным точкам массой и приложены одинаковые силы. Сравнить величины ускорений.

Решение:

Согласно третьей аксиоме динамики ускорения обратно пропорциональны массам:

Задача №37.

На материальную точку действует система сил (рис. 13.5). Определить числовое значение ускорения, полученного материальной точкой . Остальные данные представлены на чертеже.

Решение:

1-й вариант.

Определяем суммарную силу, действующую на точку:

Определяем ускорение, сообщенное точке:

2-й вариант.

Определяем ускорения от каждой из сил системы (рис. 13.56):

Определяем суммарное ускорение:

Движение материальной точки. Метод кинетостатики

К оглавлению…

Иметь представление о свободных и несвободных материальных точках, о силах инерции, об использовании силы инерции дм решения технических задач.

Знать формулы для расчета силы инерции при поступательном и вращательном движениях, знать принцип Даламбера уметь определять параметры движения с использованием законов динамики и метода кинетостатики.

Лекции:

Задача №38.

Рассмотрим движение платформы по шероховатой поверхности с ускорением (рис. 14.4).

Решение:

Активные силы: движущая сила, сила трения, сила тяжести. Реакция в опоре . Прикладываем силу инерции в обратную от ускорения сторону. По принципу Даламбера, система сил, действующих на платформу, становится уравновешенной, и можно составить уравнения равновесия. Наносим систему координат и составляем уравнения проекций сил.

где — движущая сила; — сила трения; — сила тяжести; — реакция опоры; — сила инерции; — коэффициент трения.

Задача №39.

Тело весом движется вверх по наклонной плоскости согласно уравнению (рис. 14.5). Определить величину движущей силы, если коэффициент трения тела о плоскость .

Решение:

Составим расчетную схему, выберем систему координат с осью вдоль наклонной плоскости.

Активные силы: движущая, сила трения, сила тяжести. Наносим реакцию в опоре перпендикулярно плоскости. Чтобы верно направить силу инерции, необходимо знать направление ускорения, определить это можно по уравнению движения.

При движение равноускоренное.

Определяем ускорение движения:

Силу направим в обратную от ускорения сторону.

По принципу Даламбера составим уравнения равновесия:

Подставим все известные величины в уравнения равновесия

Выразим неизвестную силу и решим уравнение:

Задача №40.

График изменения скорости лифта при подъеме известен (рис. 14.6). Масса лифта с грузом 2800 кг. Определить натяжение каната, на котором подвешен лифт на всех участках подъема

Решение:

Рассмотрим участок 1 — подъем с ускорением. Составим схему сил (рис. 14.7). Уравнение равновесия кабины лифта:

где — натяжение каната; — сила тяжести; — сила инерции растягивающая канат.

Для определения ускорения на участке 1 учтем, что движение на этом участке равнопеременное, скорость

Следовательно, ускорение:

Определяем усилие натяжения каната при подъеме с ускорением

Рассмотрим участок 2 — равномерный подъем.

Ускорение и сила инерции равны нулю. Натяжение каната равно силе тяжести.

Участок 3 — подъем с замедлением. Ускорение направлено в сторону, обратную направлению подъема. Составим схему сил (рис. 14.8).

Уравнение равновесия: FK„3

Отсюда

Ускорение (замедление) на этом участке определяется с учетом того, что

Натяжение каната при замедлении до остановки:

Таким образом, натяжение каната меняется при каждом подъеме и опускании, канат выходит из строя в результате усталости материала. Работоспособность зависит от времени.

Задача №41.

Самолет выполняет «мертвую петлю» при скорости , радиус петли 1000 м, масса летчика 75 кг. Определить величину давления тела на кресло в верхней точке «мертвой петли».

Решение:

Схема сил, действующих на летчика (рис. 14.9):

где — сила тяжести, — реакция в опоре, — сила инерции.

Сила давления летчика на кресла равна силе давления опоры на летчика.

Уравнение равновесия (движение равномерное по дуге, действует только нормальное ускорение):

Работа и мощность

К оглавлению…

Иметь представление о работе силы при прямолинейном и криволинейном перемещениях, о мощности полезной и затраченной, о коэффициенте полезного действия.

Знать зависимости для определения силы трения, формулы для расчета работы и мощности при поступательном и вращательном движениях.

Уметь рассчитывать работу и мощность с учетом потерь на трение и сил инерции.

Лекции:

Задача №42.

Тело массой 200 кг поднимают по наклонной плоскости (рис. 15.8).

Определите работу при перемещении на 10 м с постоянной скоростью. Коэффициент трения тела о плоскость .

Решение:

При равномерном подъеме движущая сила равна сумме сил сопротивления движению. Наносим на схему силы, действующие на тело:

Используем теорему о работе равнодействующей:

Подставляем входящие величины и определяем работу по подъему:

Задача №43.

Определите работу силы тяжести при перемещении груза из точки в точку по наклонной плоскости (рис. 15.9). Сила тяжести тела 1500 Н. .

Решение:

Работа силы тяжести зависит только от изменения высоты груза. Изменение высоты при перемещении из точки в :

Работа силы тяжести:

Задача №44.

Определите работу силы резания за 3 мин. Скорость вращения детали 120 об/мин, диаметр обрабатываемой детали 40 мм, сила резания 1 кН (рис. 15.10).

Решение:

Работа при вращательном движении

где — сила резания.

Угловая частота вращения 120об/мин.
Число оборотов за заданное время составляет .

Угол поворота за это время

Работа за 3 мин

Коэффициент полезного действия

К оглавлению…

Иметь представление о мощности при прямолинейном и криволинейном перемещениях, о мощности полезной и затраченной, о коэффициенте полезного действия.

Знать зависимости для определения мощности при поступательном и вращательном движениях, КПД.

Уметь рассчитать мощность с учетом потерь на трение и сил инерции.

Лекции:

Задача №45.

Определить потребную мощность мотора лебедки для подъема груза весом 3 кН на высоту 10 м за 2,5 с (рис. 16.3). КПД механизма лебедки 0,75.

Решение:

Мощность мотора используется на подъем груза с заданной скоростью и преодоление вредных сопротивлений механизма лебедки.

Полезная мощность определяется по формуле . В данном случае ; груз движется поступательно.

Скорость подъема груза .

Необходимое усилие равно весу груза (равномерный подъем).
Полезная мощность .
Полная мощность, затрачиваемая мотором,

Задача №46.

Судно движется со скоростью 56 км/ч (рис. 16.4). Двигатель развивает мощность 1200 кВт.

Определить силу сопротивления воды движению судна. КПД машины 0,4.

Решение:

Определяем полезную мощность, используемую на движение с заданной скоростью:

По формуле для полезной мощности можно определить движущую силу судна с учетом условия . При равномерном движении движущая сила равна силе сопротивления воды: .

Скорость движения судна:

Сила сопротивления воды

Задача №47.

Точильный камень прижимается к обрабатываемой детали с силой 1,5 кН (рис. 16.5). Какая мощность затрачивается на обработку детали, если коэффициент трения материала камня о деталь 0,28; деталь вращается со скоростью 100 об/мин, диаметр детали 60 мм.

Резание осуществляется за счет трения между точильным камнем и обрабатываемой деталью:

Момент силы резания:

Угловая скорость вращения детали:

Мощность, необходимая для обработки детали:

Общие теоремы динамики

К оглавлению…

Иметь представление о понятиях «импульс силы», «количество движения», «кинетическая энергия»-, о системе материальных точек, о внутренних и внешних силах системы.

Знать основные теоремы динамики, основные уравнения динамики при поступательном и вращательном движениях твердого тела, формулы для расчета моментов инерции некоторых однородных твердых тел.

Уметь определять параметры движения с помощью теорем динамики.

Лекции:

Задача №48.

Автомобиль двигался со скоростью 54 км/ч. В результате резкого торможения автомобиль остановился. Определите время торможения, если коэффициент трения между поверхностью дороги и колесами автомобиля 0,36.

Решение:

Принимаем автомобиль за материальную точку (рис. 17.8).

Считаем, что торможение произошло только за счет трения. Используем теорему об изменении количества движения. Начальная скорость . По теореме изменения количества движения . Конечная скорость (остановка).
Тормозная сила

здесь — сила прижатия; — коэффициент трения; — сила тяжести; — масса автомобиля; — ускорение свободного падения; .

После подстановок получаем формулу для определения времени торможения.

Задача №49.

После отключения двигателя колесо радиусом 0,5 м и массой 700 кг имело угловую частоту вращения 300 об/мин. Определите момент трения в подшипниках, если вал колеса остановился через 1,5 мин. Вращение принять равнопеременным, колесо считать сплошным цилиндром (рис. 17.9).

Решение:

Запишем уравнение динамики при вращении:

где — суммарный момент внешних сил; — момент инерции; — угловое ускорение; — движущий момент; — момент трения (сил сопротивления).

Определим угловое ускорение по формуле для угловой скорости при равнопеременном движении:

Тогда

Определим момент инерции колеса, считая его сплошным цилиндром:

Определяем величину тормозного момента — момента трения в подшипниках:

Задача №50.

Шкив приводится во вращение ременной передачей (рис. 17.10). Натяжение ведущей ветви ремня , ведомого — . Масса шкива 200 кг, диаметр 80 мм, момент сопротивления в подшипниках 1,2 Н-м. Определить угловое ускорение вала пренебрегая его массой. Шкив считать тонкостенным цилиндром.

Решение:

Используем основное уравнение динамики
Определяем суммарный момент внешних сил

Рассчитываем момент инерции шкива, влиянием вала пренебрегаем:

Определяем угловое ускорение шкива

Основные положения, гипотезы и допущения о сопротивлении материалов

К оглавлению…

Иметь представление о видах расчетов в сопротивлении материалов, о классификации нагрузок, о внутренних силовых факторах и возникающих деформациях, о механических напряжениях.

Знать основные понятия, гипотезы и допущения в сопротивлении материалов.

«Сопротивление материалов» — это раздел «Технической механики», в котором излагаются теоретико-экспериментальные основы и методы расчета наиболее распространенных элементов конструкций на прочность, жесткость и устойчивость.

В сопротивлении материалов пользуются данными смежных дисциплин: физики, теоретической механики, материаловедения, математики и др. В свою очередь сопротивление материалов как наука является опорной базой для целого ряда технических дисциплин.

Любые создаваемые конструкции должны быть не только прочными и надежными, но и недорогими, простыми в изготовлении и обслуживании, с минимальным расходом материалов, труда и энергии.

Расчеты сопротивления материалов являются базовыми для обеспечения основных требований к деталям и конструкциям.

Лекции:

Задача №51.

Определить величину продольной силы в сечении 1-1 (рис. 19.4).

Решение:

Используем уравнение равновесия

Рассматривая левую часть бруса, определяем

Рассматривая правую часть бруса, определяем

Величина продольной силы п сечении не зависит от того, какая часть бруса рассматривается.

Задача №52.

Определить внутренний силовой фактор в сечении 1-1 (рис. 19.5а).

Решение:

Используем уравнение равновесия

Рассматриваем правую часть бруса. На отсеченную часть бруса принято смотреть со стороны отброшенной части (рис. 19.56) Получаем

Растяжение и сжатие. Внутренние силовые факторы, напряжения. Построение эпюр

К оглавлению…

Иметь представление о продольных силах, о нормальных напряжениях в поперечных сечениях.

Знать правила построения эпюр продольных сил и нормальных напряжений, закон распределения нормальных напряжений в поперечном сечении бруса.

Уметь строить эпюры продольных сил и нормальных напряжений.

Лекции:

Задача №53.

Ступенчатый брус нагружен вдоль оси двумя силами. Брус защемлен с левой стороны (рис. 20.6). Пренебрегая весом бруса, по строить эпюры продольных сил и нормальных напряжений.

Решение:

Определяем участки нагружения, их два.
Определяем продольную силу в сечениях 1 и 2.
Строим эпюру.
Рассчитываем величины нормальных напряжений и строим эпюру нормальных напряжений в собственном произвольном масштабе.
Определяем продольные силы.

Сечение 1

Сечение 2

В обоих сечениях продольные силы положительны.

Определяем нормальные напряжения

Сопоставляя участки нагружения с границами изменения площади, видим, что образуется 4 участка напряжений.

Нормальные напряжения в сечениях по участкам:

Откладываем значения напряжений вверх от оси, т. к. значения их положительные (растяжение). Масштаб эпюр продольной силы и нормальных напряжений выбирается отдельно в зависимости от порядка цифр и имеющегося на листе места.

Растяжение и сжатие. Продольные и поперечные деформации. Закон Гука

К оглавлению…

Иметь представление о продольных и поперечных деформациях и их связи.

Знать закон Гука, зависимости и формулы для расчета напряжений и перемещений.

Уметь проводить расчеты на прочность и жесткость статически определимых брусьев при растяжении и сжатии.

Лекции:

Задача №54.

Дана схема нагружения и размеры бруса до деформации (рис. 21.3). Брус защемлен, определить перемещение свободного конца.

Решение:

Брус ступенчатый, поэтому следует построить эпюры продольных сил и нормальных напряжений.

Делим брус на участки нагружения, определяем продольные силы, строим эпюру продольных сил.

Определяем величины нормальных напряжений по сечениям с учетом изменений площади поперечного сечения.

Строим эпюру нормальных напряжений.

На каждом участке определяем абсолютное удлинение. Результаты алгебраически суммируем.

Примечание. Балка защемлена, в заделке возникает неизвестная реакция в опоре, поэтому расчет начинаем со свободного конца (справа).

Два участка нагружения:

участок 1: ; растянут;

участок 2: сжат.

Три участка по напряжениям:

Удлинения участков (материал — сталь ):

Суммарное удлинение бруса (перемещение свободного конца).

Механические испытания, механические характеристики

К оглавлению…

Иметь представление о предельных и допускаемых напряжениях и коэффициенте запаса прочности.

Знать диаграммы растяжения и сжатия пластичных и хрупких материалов, порядок расчетов на прочность.

При выборе материалов для элементов конструкции и расчетов на прочность необходимо знать механические характеристики. Необходимые сведения получают экспериментально при испытаниях на растяжение, сжатие, срез, кручение и изгиб.

Лекции:

Задача №55.

Прямой брус растянут силой 150 кН (рис. 22.6), материал — сталь , запас прочности . Определить размеры поперечного сечения бруса.

Решение:

Условие прочности:

Потребная площадь поперечного сечения определяется соотношением

Допускаемое напряжение для материала рассчитывается из заданных механических характеристик. Наличие предела текучести означает, что материал — пластичный.

Определяем величину потребной площади поперечного сечения бруса и подбираем размеры для двух случаев.

Сечение — круг, определяем диаметр.

Полученную величину округляем в большую сторону , .

Сечение — равнополочный уголок № 5 по ГОСТ 8509-86. Ближайшая площадь поперечного сечения уголка— (Приложение 1).

Практические расчеты на срез и смятие. Основные предпосылки расчетов и расчетные формулы

К оглавлению…

Иметь представление об основных предпосылках и условностях расчетов о деталях, работающих на срез и смятие.

Знать внутренние силовые факторы, напряжения и деформации при сдвиге и смятии, условия прочности.

Уметь определять площади среза и смятия.

Детали соединений (болты, штифты, шпонки, заклепки) работают так, что можно учитывать только один внутренний силовой фактор — поперечную силу. Такие детали рассчитываются на сдвиг.

Лекции:

Задача №56.

Определить потребное количество заклепок для передачи внешней нагрузки 120 кН. Заклепки расположить в один ряд. Проверить прочность соединяемых листов. Известно: : — 100 МПа; диаметр заклепок 16 мм.

Решение:

Определить количество заклепок из расчета на сдвиг (рис. 24.1).

Условие прочности на сдвиг:

где — количество заклепок.

Откуда

Таким образом, необходимо 6 заклепок.

Определить количество заклепок из расчета на смятие.

Условие прочности на смятие:

— нагрузка на одну заклепку.

Откуда

Таким образом, необходимо 4 заклепки.

Для обеспечения прочности на сдвиг {срез) и смятие необходимо 6 заклепок.

Для удобства установки заклепок расстояние между ними и от края листа регламентируется. Шаг в ряду (расстояние между центрами) заклепок расстояние до края . Следовательно, для расположения шести заклепок диаметром 16 мм необходима ширина листа 288 мм. Округляем величину до 300 мм .

Проверим прочность листов на растяжение. Проверяем тонкий лист. Отверстия под заклепки ослабляют сечение, рассчитываем площадь листа в месте, ослабленном отверстиями (рис. 24.2):

Условие прочности на растяжение:

Следовательно, прочность листа обеспечена.

Задача №57.

Проверить прочность заклепочного соединения на срез и смятие. Нагрузка на соединение .

Решение:

Соединение двухсрезными заклепками последовательно воспринимается тремя заклепками в левом ряду, а затем тремя заклепками в правом ряду (рис. 24.3).

Площадь сдвига каждой заклепки Площадь смятия боковой поверхности

Проверим прочность соединения на сдвиг (срез).

— поперечная сила в поперечном сечении заклепки:

Прочность на сдвиг обеспечена.

Проверим прочность соединения на смятие:

Прочность заклепочного соединения обеспечена.

Задача №58.

Проверить прочность сварного соединения угловыми швами с накладкой. Действующая нагрузка 60 кН, допускаемое напряжение металла шва на сдвиг 80 МПа.

Решение:

Нагрузка передается последовательно через два шва слева, а далее — два шва справа (рис. 24.4). Разрушение угловых швов происходит по площадкам, расположенным под углом 45° к поверхности соединяемых листов.
Проверим прочность сварного соединения на срез.

Двухсторонний угловой шов можно рассчитать по формуле

где — расчетная площадь среза шва; — катет шва, равен толщине накладки; — длина шва.

Следовательно,

Расчетное напряжение меньше допускаемого, прочность обеспечена.

Геометрические характеристики плоских сечений

К оглавлению…

Иметь представление о физическом смысле и порядке определения осевых, центробежных и полярных моментов инерции, о главных центральных осях и главных центральных моментах инерции.

Знать формулы моментов инерции простейших сечений, способы вычисления моментов инерции при параллельном переносе осей.

При растяжении, сжатии, смятии и сдвиге деталь сопротивляется деформации всем сечением одинаково. Здесь геометрической характеристикой сечения является площадь.

При кручении и изгибе сечение сопротивляется деформации не одинаково, при расчетах напряжений появляются другие геометрические характеристики сечения, влияющие на сопротивления сечения деформированию.

Лекции:

Задача №59.

Определить величину осевых моментов инерции плоской фигуры относительно осей и (рис. 25.5).

Решение:

Определим осевой момент инерции относительно оси . Используем формулы для главных центральных моментов. Представим момент инерции сечения как разность моментов инерции круга и прямоугольника.

Для круга

Для прямоугольника

Для прямоугольника ось не проходит через ЦТ. Момент инерции прямоугольника относительно оси :

где — площадь сечения; — расстояние между осями и .

Метод инерции сечения

Осевой момент инерции относительно оси :

Момент инерции сечения

Задача №60.

Найти главный центральный момент инерции сечения относительно оси (рис. 25.6).

Решение:

Сечение составлено из стандартных профилей, главные центральные моменты инерции которых приводятся в таблицах ГОСТ, см. Приложение 1. Для двутавра № 14 по ГОСТ 8239-89 .

Для швеллера № 16 по ГОСТ 8240-89 4.

Площадь

Определяем координату центра тяжести швеллера относительно оси . В заданном сечении швеллер повернут и поднят. При этом главные центральные оси поменялись местами.

по ГОСТ находим

Момент инерции сечения равен сумме моментов инерции швеллеров и двутавра относительно оси . Используем формулу моментов инерции относительно параллельных осей:

В данном случае

— (расстояние между осями координат и ).

Кручение. Внутренние силовые факторы при кручении. Построение эпюр крутящих моментов

К оглавлению…

Иметь представление о деформациях при кручении, о внутренних силовых факторах при кручении.

Уметь строить эпюры крутящих моментов.

Лекции:

Задача №61.

На распределительном валу (рис. 26.3) установлены четыре шкива, на вал через шкив 1 подается мощность 12 кВт, которая через шкивы 2, 3, 4 передается потребителю; мощности распределяются следующим образом: вал вращается с постоянной скоростью Построить эпюру крутящих моментов на валу.

Решение:

Определяем моменты пар сил на шкивах. Вращающий момент определяем из формулы мощности при вращательном движении

Момент на шкиве 1 движущий, а моменты на шкивах 2, 3, 4 — моменты сопротивления механизмов, поэтому они имеют противоположное направление. Брус скручивается между движущим моментом и моментами сопротивления. При равновесии момент движущий равен сумме моментов сопротивления:

Определяем крутящие моменты в поперечных сечениях бруса с помощью метода сечений.

Строим эпюру крутящих моментов. Заметим, что скачок кя эпюре всегда численно равен приложенному вращающему момент

Выбираем соответствующий масштаб.

Откладываем значения моментов, штрихуем эпюру поперек, об водим по контуру, записываем значения моментов (см. эпюру под схемой вала (рис. 26.3)). Максимальный крутящий момент на участке III .

Пример 2. Выбрать рациональное расположение колес на вал (рис. 26.5).

Примечание. Меняя местами колеса (шкивы) на валу можно изменять величины крутящих моментов. Рациональным расположением является такое, при котором крутящие моменты принимают минимальные из возможных значения.

Рассмотрим нагрузки на валу при различном расположении колес.

Из представленных вариантов наиболее рационально расположение шкивов в третьем случае, здесь значения крутящих моментов минимальны. Вывод: при установке шкивов желательно, чтобы мощность подавалась в середине вала и по возможности равномерно распределялась направо и налево.

Первый вариант:

Второй вариант:

Третий вариант:

Кручение. Напряжения и деформации при кручении

К оглавлению…

Иметь представление о напряжении и деформациях при кручении, о моменте сопротивления при кручении.

Знать формулы для расчета напряжений в точке поперечного сечения, закон Гука при кручении.

Лекции:

Задача №63.

Из расчетов на прочность и жесткость определить потребный диаметр вала для передачи мощности 63 кВт при скорость 30 рад/с. Материал вала — сталь, допускаемое напряжение при кручении 30 МПа; допускаемый относительный угол закручивания ; модуль упругости при сдвиге .

Решение:

Определение размеров поперечного сечения из расчета на прочность.

Условие прочности при кручении:

Определяем вращающий момент из формулы мощности при вращении:

Из условия прочности определяем момент сопротивления вала при кручении

Значения подставляем в ньютонах и мм.

Определяем диаметр вала:

Определение размеров поперечного сечения из расчета на жесткость.

Условие жесткости при кручении:

Из условия жесткости определяем момент инерции сечения при кручении:

Определяем диаметр вала:

Выбор потребного диаметра вала из расчетов на прочность и жесткость.

Для обеспечения прочности и жесткости одновременно из двух найденных значений выбираем большее.

Полученное значение следует округлить, используя ряд предпочтительных чисел. Практически округляем полученное значение так, чтобы число заканчивалось на 5 или 0. Принимаем значение .

Для определения диаметра вала желательно пользоваться стандартным рядом диаметров, приведенном в Приложении 2.

Кручение. Расчеты на прочность и жесткость при кручении

К оглавлению…

Иметь представление о рациональных формах поперечного сечения и рациональном расположении колес на валу.

Знать условия прочности и жесткости при кручении.

Уметь выполнять проектировочные и проверочные расчеты круглого бруса для статически определимых систем.

Задача №64.

Для заданного бруса (рис. 28.1) построить эпюры крутящих моментов, рациональным расположением шкивов на валу добиться уменьшения значения максимального крутящего момента. Построить эпюру крутящих моментов при рациональном расположении шкивов.

Из условия прочности определить диаметры вала для сплошного и кольцевого сечений, приняв . Сравнить полученные результаты по полученным площадям поперечных сечений. .

Решение:

Пользуясь методом сечений, определяем крутящие моменты на участках вала (рис. 28.2).

Сечение 1 (рис. 28.2а): .

Сечение 2 (рис. 28.26): .

Сечение 3 (рис. 28.2в): .

Строим эпюру крутящих моментов. Значения крутящих моментов откладываем вниз от оси, т. к. моменты отрицательные.

Максимальное значение крутящего момента на валу в этом случае 1000 Н-м (рис. 28.1).

Выберем рациональное расположение колес на валу. Наиболее целесообразно такое размещение колес, при котором наибольшие положительные и отрицательные значения крутящих моментов на участках будут по возможности одинаковыми. Из этих соображений ведущий шкив, передающий момент 1000 Н-м, помещаем ближе к центру вала, ведомые шкивы 1 и 2 размещаем слева от ведущего с моментом 1000 Н-м, шкив 3 остается на том же месте. Строим эпюру крутящих моментов при выбранном расположении шкива (рис. 28.3).

Максимальное значение крутящего момента на валу при выбранном расположении колес на валу 600 Н м.

Определяем диаметры вала по сечениям при условии, что сечение — круг.

Условие прочности при кручении .

Момент сопротивления кручению

Определяем диаметры вала по сечениям:

Округляем полученные значения: .

Определяем диаметры вала по сечениям при условии, что сечение — кольцо.

Моменты сопротивления остаются теми же.

По условию .

Полярный момент сопротивления кольца

Формула для определения наружного диаметра вала кольцевого сечения будет следующей:

Расчет можно провести по формуле

Диаметры вала по сечениям:

Наружные диаметры вала кольцевого сечения практически не изменились.

Для кольцевого сечения:

Для вывода об экономии металла при переходе на кольцевое сечение сравним площади сечений (рис. 28.4).

При условии, что сечение — круг (рис. 28.4а):

Сплошное круглое сечение:

При условии, что сечение — кольцо, (рис. 28.46):

Кольцевое сечение:

Сравнительная оценка результатов:

Следовательно, при переходе с кругового на кольцевое сечение экономия металла по весу составит 1,3 раза.

Задача №65.

Стальной вал диаметром 40 мм передает мощность 15 кВт при угловой скорости 80 рад/с (рис. 28.5); проверить прочность и жесткость вала, если допускаемое напряжение кручения 20 МПа. Модуль упругости при сдвиге . Допускаемый угол закручивания . Построить эпюру касательных напряжений и определить значение касательного напряжения в точке, удаленной на 5 мм от оси вала.

Решение:

Определяем вращающий момент на валу:

Проверка прочности вала.

Из условия равновесия

Условие прочности:

где — расчетное напряжение в сечении; — крутящий момент в сечении; — момент сопротивления; — допускаемое напряжение кручения.

Прочность обеспечена. Максимальное касательное напряжение в сечении .

Проверка жесткости. Условие жесткости:

где — относительный угол закручивания; — полярный момент инерции при кручении; — допускаемый угол закручивания.

Угол закручивания участка

Жесткость обеспечена.

Построим эпюру касательных напряжений в поперечном сечении (рис. 28.56). Определим напряжение в точке, удаленной на 5 мм от оси вала.

Изгиб. Классификация видов изгиба. Внутренние силовые факторы при изгибе

К оглавлению…

Иметь представление о видах изгиба и внутренних силовых факторах.

Знать методы для определения внутренних силовых факторов и уметь ими пользоваться для определения внутренних силовых факторов при прямом изгибе.

Лекции:

Задача №66.

На балку действует пара сил с моментом и распределенная нагрузка интенсивностью . Балка защемлена справа (рис. 29.6).

Рассечем балку на участке 1 на расстоянии от левого края. Рассмотрим равновесие отсеченной части. Из уравнения получим:

Участок 1 — участок чистого изгиба.

Рассечем балку на участке 2 на расстоянии от края, — расстояние сечения от начала координат.

Из уравнения найдем поперечную силу Заменяем распределенную нагрузку на рассматриваемом участке равнодействующей силой .

Из уравнения моментов определяем изгибающий момент в сечении:

На втором участке возникает поперечный изгиб.

Выводы

При действии распределенной нагрузки возникает поперечная сила, линейно зависящая от координаты сечения.

Изгибающий момент на участке с распределенной нагрузкой меняется в зависимости от координаты сечения по параболическому закону.

Изгиб. Построение эпюр поперечных сил и изгибающих моментов. Основные правила построения эпюр

К оглавлению…

Знать порядок построения и контроля эпюр поперечных сил и изгибающих моментов.

Уметь строить эпюры поперечных сил и изгибающих моментов

Эпюры поперечных сил и изгибающих моментов можно строить, предварительно разделив балку на участки нагружения и составляя уравнения, выражающие изменения и по участкам.

Напомним, что границы участков нагружения — это сечения, в которых приложены внешние нагрузки.

Задача №67.

На балку действуют сосредоточенные силы и момент (рис. 30.1). Построить эпюры поперечных сил и изгибающих моментов.

Решение:

Последовательно по участкам нагружения рассматриваем внутренние силовые факторы в сечениях. Силовые факторы определяем из условий равновесия отсеченной части. Для каждого участка записываем уравнения внутренних силовых факторов.

Используем известные правила:

— поперечная сила численно равна алгебраической сумме проекций внешних сил на ось ;

— изгибающий момент численно равен алгебраической сумме моментов внешних сил, действующих на отсеченную часть, относительно нейтральной оси, совпадающей с осью ;

— принятые знаки поперечных сил и изгибающих моментов (рис. 30.2):

Составим уравнения равновесия.

Рассмотрим участок 1 (рис. 30.3а).

Сила — отрицательна. Сила на участке 1 постоянна.

— отрицательный.

при

при

Изгибающий момент меняется по линейному закону, график — прямая линия.

Рассмотрим участок 2 (рис. 30.36).

Сила положительна.

при

— отрицательный;

при

Знак сменился; слева от сечения — положительный.

Поперечную силу и изгибающий момент можно определять сразу из зависимостей , не составляя уравнения равновесия участка.

Знак каждого из слагаемых этих уравнений определяем отдельно (участок 3).

Рассмотрим участок 3 (рис. З0.Зв).

— положительна.

при

при

Обращаем внимание, что для точки получено два значения изгибающих моментов: из уравнения для участка 2 левее точки и из уравнения для участка 3 — правее точки .

Это объясняется тем, что именно в этой точке приложен внешний момент и поэтому внутренний момент сил упругости меняется точках приложения внешнего момента на эпюре моментов появится скачок, равный величине приложенного момента.

Поперечная сила в точке для второго и третьего участков одинакова. Следовательно, приложение внешнего момента не отражается на эпюре поперечных сил. График поперечной силы на участке 3 — прямая линия.

График изменения изгибающих моментов на третьем участке также прямая линия.

Построение эпюр. Порядок построения эпюр остается прежним: масштабы эпюр выбираются отдельно, исходя из значений максимальных сил и моментов.

Графики обводятся толстой основной линией и заштриховываются поперек. На графиках указываются значения поперечных сил, изгибающих моментов и единицы измерения.

Правила построения эпюр (рис. 30.1 и 30.4):

Для участка, где отсутствует распределенная нагрузка, поперечная сила постоянна, а изгибающий момент меняется по линейному закону.
В частном случае, когда поперечная сила на участке равна нулю, изгибающий момент постоянен (чистый изгиб), график — прямая линия, параллельная продольной оси (на рис. 30.1 отсутствует).
В том месте, где к балке приложена внешняя сосредоточенная сила, на эпюре возникает скачок на величину приложенной силы, а на эпюре моментов — излом.
В сечении, где к балке приложена пара сил (сосредоточенный момент), на эпюре возникает скачок на величину момента этой пары. Поперечная сила при этом не изменяется.
В сечении на конце балки поперечная сила равна приложенной в этом сечении сосредоточенной силе или реакции в заделке.
На свободном конце балки или шарнирно опертом конце момент равен нулю, за исключением случаев, когда в этом сечении приложена пара сил (внешний момент).

Задача №68.

На двухопорную балку действуют сосредоточенные силы и моменты (рис. 30.4). Построить эпюры поперечных сил и изгибающих моментов.

Для двухопорной балки построение эпюр начинают с определения опорных реакций балки. Для их определения используем систему уравнений равновесия, составляем два уравнения моментов относительно шарнирных опор. Затем проводим проверку правильности решения по уравнению

Решение:

Определение реакций в опорах. Уравнения равновесия:

Реакция в опоре направлена в обратную сторону.

Проверка:

Реакции определены верно.

Для упрощения расчетов при построении эпюр поперечный сил и изгибающих моментов можно провести расчет по характерным точкам без составления уравнений.

Для этого используют известные связи между поперечной силой и изгибающим моментом и правила построения эпюр.

Участок 1 (от точки до точки ).

В точке приложена реакция , направленная вниз. Поперечная сила на участке постоянна:

Момент в точке равен нулю.

Точка (слева). Приложена внешняя сила , направленная вверх, — здесь возникнет скачок вверх на величину 35 кН. Момент в точке (слева) может быть рассчитан по известной зависимости

Участок 2 (от точки справа до точки ).

Поперечная сила в точке (справа) равна

В точке приложена внешняя пара сил с моментом 80кН-м, следовательно, здесь проявляется скачок на величину приложенного момента:

Поперечная сила на втором участке постоянна:

Момент в точке определяется по зависимости

Справа и слева от точки момент имеет одинаковые значения.

Участок 3 (от точки (справа) до точки ).

В точке приложена внешняя сила . Здесь появляется скачок на величину 71 кН,

Дальше по участку поперечная сила не изменяется. Момент в точке равен нулю, т.к. здесь не приложена внешняя пара сил:

Рассмотрение поперечных сил и изгибающих моментов можно было провести и справа налево.

По полученным значениям сил и моментов строим эпюры (эпюры под схемой вала, рис. 30.4).

Изгиб. Построение эпюр поперечных сил и изгибающих моментов. Приложены сосредоточенные и распределенные нагрузки

К оглавлению…

Знать дифференциальные зависимости между интенсивностью распределенной нагрузки, поперечной силой и изгибающим моментом, основные правша построения эпюр.

Уметь строить эпюры поперечной силы и изгибающего момента в случае приложения сосредоточенных и распределенных нагрузок.

Задача №69.

Одноопорная балка нагружена сосредоточенными силами и распределенной нагрузкой (рис. 31.1). Построить эпюры поперечных сил и изгибающих моментов.

Решение:

Задачу решаем с помощью составления уравнений поперечных сил и изгибающих моментов в поперечных сечениях балки.

При проверке эпюр используем дифференциальные зависимости между интенсивностью распределенной нагрузки, поперечной силой и изгибающим моментом:

Производная от поперечной силы по длине балки равна интенсивности распределенной нагрузки

Производная изгибающего момента по длине балки равна поперечной силе

Рассмотрим участок 1, сечение 1. Поперечная сила

По принятому правилу знаков поперечная сила отрицательна и постоянна на этом участке.

Изгибающий момент

Рассмотрим участок 2, сечение 2. Поперечная сила

Поперечная сила изменяется по линейному закону.

Изгибающий момент

при изгибающий момент . В точке нет внешнего момента, поэтому изгибающий момент слева и справа от точки одинаков. В этом случае рассчитывать его дважды не следует;

при

Рассмотрим участок 3, сечение 3.

В точке приложена внешняя сила . На эпюре должен быть скачок, равный приложенной силе; на эпюре моментов должен быть излом.

Поперечная сила на участке 3:

при

точка :

при

Поперечная сила изменяется по линейному закону.

Изгибающий момент

при

На участках 2 и 3 эпюра изгибающих моментов ограничена квадратичной параболой.

По полученным результатам, учитывая дифференциальные зависимости между поперечной силой и изгибающим моментом, строим эпюры и . На втором и третьем участках поперечная сила не имеет нулевых значений, поэтому на эпюре моментов нет экстремумов.

Основные правила построения эпюр в случае приложения распределенной нагрузки. Контроль правильности решений

К оглавлению…

Для участка балки с равномерно распределенной нагрузкой поперечная сила изменяется по линейному закону, эпюра ограничена наклонной прямой. Изгибающий момент изменяется по квадратичному закону, эпюра ограничена параболой второго порядка.
В сечении, где эпюра переходит через ноль (наклонная линия пересекает ось абсцисс), изгибающий момент экстремален: касательная к эпюре в этом месте параллельна оси абсцисс.
Параболическая и прямолинейная части эпюры моментов там, где кончается или начинается распределенная нагрузка, сопрягаются плавно, без излома, если в соответствующем сечении к балке не приложена сосредоточенная сила.
Если распределенная нагрузка направлена вниз, то эпюра момента очерчена параболой, обращенной выпуклостью вверх.
Из теоремы Журавского следует:

— если на участке растет;

— если на участке убывает;

— если на участке , изгибающий момент постоянен (чистый изгиб);

— если в точке , изгибающий момент достигает экстремального значения ( или ).

Задача №70.

Расчет двухопорной балки. Двухопорная балка нагружена равномерно распределенной нагрузкой (рис. 31.2).

Решение:

При определении реакций в опоре равномерно распределенную нагрузку можно заранее заменить равнодействующей сосредоточенной силой:

При построении эпюр поперечных сил и изгибающих моментов распределенная нагрузка учитывается постепенно.

Расчет балки можно провести по характерным точкам, при этом необходимо знать правила построения эпюр, перечисленные выше.

Определяем реакции в опорах балки.

Проверка:

Построение эпюр

Анализируем схему балки. Рассмотрим участок 1 до сечения 1.

В опоре действует сосредоточенная сила . На участке 1 поперечная сила остается постоянной: (рис. 31.3).

Изгибающий момент в точке равен нулю, т.к. здесь нет момента внешней пары сил:

Момент в точке (граница участка, )

Эпюра очерчивается прямой линией, наклонной к оси (рис. 31.3).

Рассмотрим участок 2 (рис. 31.3). Здесь действует распределенная нагрузка интенсивностью . При перемещении вдоль оси балки направо распределенная нагрузка суммируется. Эпюра — прямая линия, наклонная к оси . Распределенная нагрузка направлена вниз (см. Основные правила построения эпюр, п. 4), здесь эпюра изгибающего момента очерчена параболой, обращенной выпуклостью вверх.

Реакция в опоре и распределенная нагрузка направлены в разные стороны. Следовательно, возможна точка, в которой, по правилу 2, , а изгибающий момент экстремален.

Для построения эпюры моментов необходимо составить уравнение поперечной силы на участке 2 и приравнять величину поперечной силы нулю. Из уравнения можно определить координату точки, в которой изгибающий момент экстремален.

Проводим необходимые расчеты, определяем величины поперечных сил и изгибающих моментов в характерных точках.

Рассмотрим участок 2, сечение 2 (рис. 31.3).

Уравнение поперечной силы

Откуда:

— координата точки, где изгибающий момент экстремален, т.к.

Уравнение момента на участке 2:

При

Максимальное значение изгибающего момента на участке 2

Значения поперечной силы и изгибающего момента в точке :

Строим эпюру поперечной силы. Первый участок — прямая линия, параллельная оси . В точке эпюра становится наклонной. Строим эпюру изгибающих моментов (рис. 31.3).

Участок 1 эпюра — прямая линия;

Участок 2 эпюра — парабола с экстремумом в точке

Изгиб. Нормальные напряжения при изгибе. Расчеты на прочность

К оглавлению…

Знать распределение нормальных напряжений по сечению балки при чистом изгибе, расчетные формулы и условия прочности.

Уметь выполнять проектировочные и проверочные расчеты на прочность, выбирать рациональные формы поперечных сечений.

Лекции:

Задача №71.

Сравним моменты сопротивления двух сечений одинаковой площади: двутавра (рис. 32.7г) и круга (рис. З2.7а).

Двутавр № 10 имеет площадь , осевой момент инерции , момент сопротивления .

Круг той же площади имеет диаметр , осевой момент инерции , момент сопротивления .

Сопротивление изгибу у двутавровой балки в шесть раз выше, чем у балки круглого сечения.

Из этого примера можно сделать вывод: сечения прямоугольные, квадратные, круглые и ромбовидные нерациональны (рис. 32.7а, б).

Для материалов, обладающих разной прочностью при растяжении и сжатии (хрупкие материалы обладают значительно большей прочностью на сжатие, чем на растяжение), выбирают асимметричные сечения тавр, рельс и др.

Расчет на прочность при изгибе

К оглавлению…

Рассчитать на прочность — это значит определить напряжение и сравнить его с допустимым.

Условие прочности при изгибе:

где — допускаемое напряжение.

По этому неравенству проводят проверочные расчеты после окончания конструирования балки.

Для балок из хрупких материалов расчеты ведут по растянутой и сжатой зоне одновременно (рис. 32.8).

При проектировочном расчете определяют потребные размеры поперечных сечений балки или подбирают материал. Схема нагружения и действующие нагрузки известны.

По условию прочности можно определить нагрузочную способность балки

Задача №72.

Подобрать размеры сечения балки в виде двутавра. Известна схема нагружения балки (рис. 32.9), материал — сталь, допускаемое напряжение материала при изгибе

Для защемленной балки реакции в опоре определять не следует.

Проводим расчеты по характерным точкам. Размеры сечения подбираем из расчета по нормальным напряжениям. Эпюру поперечных сил строить необязательно.

Определяем моменты в характерных точках.

В точке приложен внешний момент пары, поэтому расчет проводим для левого сечения (без момента) и для правого — с моментом .

Момент положительный.

Момент в заделке

Выбираем соответствующий масштаб по максимальному значению изгибающего момента.

Опасное сечение — сечение балки, где действует максимальный момент. Подбираем размеры балки в опасном сечении по условию прочности

Основываясь на значении по таблице ГОСТ 8239-89 выбираем двутавр № 30а: момент сопротивления ; площадь сечения .

Сторона квадрата Площадь сечения балки

Балка квадратного сечения в 4 раза тяжелее.

Понятие о касательных напряжениях при изгибе. Линейные и угловые перемещения при изгибе, их определение

К оглавлению…

Иметь представление о касательных напряжениях при изгибе, об упругой линии балки, о деформациях при изгибе и методах определения линейных и угловых перемещений.

Знать один из методов определения линейных и угловых перемещений.

Лекции:

Задача №77.

Проверить жесткость двутавровой балки (рис. 33.7). Принять . Сечение балки — двутавр № 45.

Решение:

Используем принцип независимости действия сил. По приведенным в таблице формулам рассчитываем прогиб балки в точке от каждого вида нагружения отдельно (рис. 33.7 (1, 2, 3)).

Поскольку все действующие нагрузки прогибают балку вниз, результаты действия нагрузок можно сложить. Полученный суммарный прогиб сравним с допускаемым прогибом.

Допускаемый прогиб

Суммарный прогиб

Исходные данные:

Для двутавра № 45 ГОСТ 8239-89

Тогда

21,33 <25 — условие жесткости выполняется. Максимальный прогиб не превышает допускаемого значения.

Сочетание основных деформаций. Гипотезы прочности

К оглавлению…

Иметь представление о напряженном состоянии в точке упругого тела, о теории предельных напряженных состояний, об эквивалентном напряженном состоянии, о гипотезах прочности.

Знать формулы для эквивалентных напряжений по гипотезам наибольших касательных напряжений и энергии формоизменения.

Лекции:

Задача №78.

Для заданного напряженного состояния (рис. 34.4), пользуясь гипотезой максимальных касательных напряжений, вычислить коэффициент запаса прочности, если .

Решение:

— коэффициент запаса прочности.

Расчет бруса круглого поперечного сечения при сочетании основных деформаций

К оглавлению…

Уметь рассчитывать брус круглого поперечного сечения на прочность при сочетании основных деформаций.

Большинство валов испытывают сочетание деформаций изгиба и кручения. Обычно валы — прямые брусья с круглым или кольцевым сечением. При расчете валов касательные напряжения от действия поперечных сил не учитывают из-за их незначительности.

Расчеты проводят по опасным поперечным сечениям. При пространственном нагружении вала пользуются гипотезой независимости действия сил и изгибающие моменты рассматривают в двух взаимно перпендикулярных плоскостях, а суммарный изгибающий момент определяют геометрическим суммированием.

Лекции:

Задача №79.

В опасном поперечном сечении круглого бруса возникают внутренние силовые факторы (рис. 35.1) .

и — изгибающие моменты в плоскостях и соответственно; — крутящий момент. Проверить прочность по гипотезе наибольших касательных напряжений, если Исходные данные:

Решение:

Строим эпюры нормальных напряжений от действия изгибающих моментов относительно осей и и эпюру касательных напряжений от кручения (рис. 35.2).

Максимальное касательное напряжение возникает на поверхности. Максимальные нормальные напряжения от момента возникают в точке , максимальные нормальные напряжения от момента в точке . Нормальные напряжения складываются, потому что изгибающие моменты во взаимно перпендикулярных плоскостях геометрически суммируются.

Суммарный изгибающий момент:

Рассчитываем эквивалентный момент по теории максимальных касательных напряжений:

Условие прочности:

Момент сопротивления сечения:

Проверяем прочность:

Прочность обеспечена.

Задача №80.

Из условия прочности рассчитать необходимый диаметр вала. На валу установлены два колеса. На колеса действуют две окружные силы и две радиальные силы в вертикальной плоскости (рис. 35.3). Диаметры колес соответственно равны .

Принять для материала вала .

Задача №81.

Рассчитать размеры вала кольцевого сечения при . Расчет провести по гипотезе максимальных касательных напряжений. Весом вала и колес пренебречь.

Решение:

Указание. Используем принцип независимости действия сил, составляем расчетные схемы вала в вертикальной и горизонтальной плоскостях. Определяем реакции в опорах в горизонтальной и вертикальной плоскостях в отдельности. Строим эпюры изгибающих моментов (рис. 35.4). Под действием окружных сил вал скручивается. Определяем действующий на валу крутящий момент.

Составим расчетную схему вала (рис. 35.4).

Крутящий момент на валу:

Изгиб рассматриваем в двух плоскостях: горизонтальной (пл. ) и вертикальной (пл. ).

В горизонтальной плоскости определяем реакции в опоре:

Определяем изгибающие моменты в точках и :

В вертикальной плоскости определяем реакции в опоре:

Определяем изгибающие моменты в точках и :

Суммарные изгибающие моменты в точках и :

В точке максимальный изгибающий момент, здесь же действует и крутящий момент.

Расчет диаметра вала ведем по наиболее нагруженному сечению.

Эквивалентный момент в точке по третьей теории прочности

Определяем диаметр вала круглого поперечного сечения из условия прочности

Округляем полученную величину: . Примечание. При выборе диаметров вала пользоваться стандартным рядом диаметров (Приложение 2).

Определяем необходимые размеры вала кольцевого сечения

при где — наружный диаметр вала.

Диаметр вала кольцевого сечения можно определить по формуле

Примем

Перегрузка незначительная.

Округляем до значения

Сравним затраты металла по площадям сечения вала в обоих случаях.

Площадь поперечного сечения сплошного вала

Площадь поперечного сечения полого вала

Площадь поперечного сечения сплошного вала почти в два раза больше вала кольцевого сечения:

Кстати готовые на продажу задачи тут, и там же теория из учебников может быть вам поможет она.

Устойчивость сжатых стержней. Основные положения

К оглавлению…

Иметь представление об устойчивых и неустойчивых формах равновесия, критической силе и коэффициенте запаса устойчивости, о критическом напряжении, гибкости стержня и предельной гибкости.

Знать условие устойчивости сжатых стержней, формулу Эйлера и эмпирические формулы для расчета критической силы и критического напряжения.

Лекции:

Задача №82.

Рассчитать гибкость стержня. Круглый стержень диаметром 20 мм закреплен так, как показано на рис. 37.1.

Решение:

Гибкость стержня определяется по формуле

Определяем минимальный радиус инерции для круга.

Подставив выражения для и (сечение — круг)

получим

Коэффициент приведения длины для данной схемы крепления

Гибкость стержня будет равна

Задача №83.

Как изменится критическая сила для стержня, если изменить способ закрепления концов? Сравнить представленные схемы (рис. 37.2)

Решение:

Критическая сила увеличится в 4 раза.

Задача №84.

Как изменится критическая сила при расчете на устойчивость, если стержень двутаврового сечения (рис. 37.3а, двутавр № 12) заменить стержнем прямоугольного сечения той же площади (рис. 37.36)? Остальные параметры конструкции не меняются. Расчет выполнить по формуле Эйлера.

Решение:

Определим ширину сечения прямоугольника, высота сечения равна высоте сечения двутавра. Геометрические параметры двутавра № 12 по ГОСТ 8239-89 следующие: площадь сечения ;

минимальный из осевых моментов инерции . По условию площадь прямоугольного сечения равна площади сечения двутавра. Определяем ширину полосы при высоте 12 см.

Определим минимальный из осевых моментов инерции.

Критическая сила определяется по формуле Эйлера:

При прочих равных условиях отношение критических сил равно отношению минимальных моментов инерции:

Таким образом, устойчивость стержня с сечением двутавр № 12 в 15 раз выше, чем устойчивость стержня выбранного прямоугольного сечения.

Задача №85.

Проверить устойчивость стержня. Стержень длиной 1м защемлен одним концом, сечение — швеллер № 16, материал — СтЗ, запас устойчивости трехкратный. Стержень нагружен сжимающей силой 82 кН (рис. 37.4).