Определение 1
Механиката на твърдото тяло е обширен дял от физиката, който изучава движението на твърдо тяло под въздействието на външни фактори и сили.
Фигура 1. Механика на твърдото тяло. Author24 - онлайн обмен на студентски работи
Това научно направление обхваща много широк спектър от въпроси на физиката - изучава различни обекти, както и най-малките елементарни частици материя. В тези ограничаващи случаи изводите на механиката са от чисто теоретичен интерес, предмет на който е и проектирането на множество физически модели и програми.
Към днешна дата има 5 вида движение на твърдо тяло:
Всяко сложно движение на материална субстанция може в крайна сметка да се сведе до набор от ротационни и движение напред. Механиката на движението на твърдото тяло, която включва математическо описание на вероятните промени в околната среда, и динамиката, която разглежда движението на елементите под действието на дадени сили, е от фундаментално и важно значение за цялата тази тема.
Твърдо тяло, което систематично приема различни ориентации във всяко пространство, може да се разглежда като състоящо се от огромен брой материални точки. Това е просто математически метод, който помага да се разшири приложимостта на теориите за движението на частиците, но няма нищо общо с теорията за атомната структура на истинската материя. Тъй като материални точкина изследваното тяло ще бъдат насочени в различни посоки с различни скорости, е необходимо да се приложи процедурата на сумиране.
В този случай не е трудно да се определи кинетичната енергия на цилиндъра, ако параметърът, въртящ се около фиксиран вектор с ъглова скорост, е известен предварително. Инерционният момент може да се изчисли чрез интегриране, а за хомогенен обект балансът на всички сили е възможен, ако плочата не се движи, следователно компонентите на средата отговарят на условието за векторна стабилност. В резултат на това се изпълнява връзката, получена в началния етап на проектиране. И двата принципа формират основата на теорията на строителната механика и са необходими при изграждането на мостове и сгради.
Горното може да се обобщи за случая, когато няма фиксирани линии и физическото тяло се върти свободно във всяко пространство. В такъв процес има три инерционни момента, свързани с "ключовите оси". Постулатите, които са били изпълнени в механиката на твърдото тяло, са опростени, ако използваме съществуващата нотация на математическия анализ, която предполага преминаването към границата $(t → t0)$, така че няма нужда да мислим през цялото време как да разреши този проблем.
Интересно е, че Нютон е първият, който прилага принципите на интегралното и диференциалното смятане при решаването на сложни физически проблеми, а последващото формиране на механиката като комплексна наука е дело на такива изключителни математици като Дж. Лагранж, Л. Ойлер, П. Лаплас и К. Якоби. Всеки от тези изследователи намира в ученията на Нютон източник на вдъхновение за своите универсални математически изследвания.
Когато изучават въртенето на твърдо тяло, физиците често използват концепцията за инерционния момент.
Определение 2
Нарича се инерционният момент на системата (материалното тяло) около оста на въртене физическо количество, което е равно на сумата от произведенията на показателите на точките от системата и квадратите на техните разстояния до разглеждания вектор.
Сумирането се извършва върху всички движещи се елементарни маси, на които е разделено физическото тяло. Ако инерционният момент на изследвания обект първоначално е известен спрямо оста, минаваща през неговия център на масата, тогава целият процес спрямо всяка друга успоредна линия се определя от теоремата на Щайнер.
Теоремата на Щайнер гласи: инерционният момент на веществото около вектора на въртене е равен на момента на промяната му около успоредна ос, която минава през центъра на масата на системата, получена чрез умножаване на масите на тялото по квадрата на разстоянието между линиите.
Когато абсолютно твърдо тяло се върти около фиксиран вектор, всяка отделна точка се движи по окръжност с постоянен радиус с определена скорост и вътрешният импулс е перпендикулярен на този радиус.
Фигура 2. Деформация на твърдо тяло. Author24 - онлайн обмен на студентски работи
Като се има предвид механиката на твърдото тяло, често се използва концепцията за абсолютно твърдо тяло. Такива вещества обаче не съществуват в природата, тъй като всички реални обекти под въздействието на външни сили променят своя размер и форма, тоест те се деформират.
Определение 3
Деформацията се нарича постоянна и еластична, ако след прекратяване на влиянието на външни фактори тялото приема първоначалните си параметри.
Деформациите, които остават в веществото след прекратяване на взаимодействието на силите, се наричат остатъчни или пластични.
Деформациите на абсолютно реално тяло в механиката винаги са пластични, тъй като те никога не изчезват напълно след прекратяване на допълнителното въздействие. Въпреки това, ако остатъчните промени са малки, тогава те могат да бъдат пренебрегнати и могат да бъдат изследвани по-еластични деформации. Всички видове деформация (компресия или опън, огъване, усукване) в крайна сметка могат да бъдат сведени до едновременни трансформации.
Ако силата се движи строго по нормалата към равна повърхност, напрежението се нарича нормално, но ако се движи тангенциално към средата, то се нарича тангенциално.
Количествена мярка, която характеризира характерната деформация, изпитвана от материално тяло, е неговата относителна промяна.
Отвъд границата на еластичността в твърдото тяло се появяват остатъчни деформации, а графиката, описваща подробно връщането на веществото в първоначалното му състояние след окончателното прекратяване на силата, е изобразена не на кривата, а успоредно на нея. Диаграмата на напрежението за реални физически тела зависи пряко от различни фактори. Един и същ обект може при краткотрайно въздействие на сили да се прояви като напълно крехък, а при дълготрайно въздействие - постоянен и течен.
Тази глава представя основните понятия, които преди това са били изучавани в курсовете по физика, теоретична механика и съпротивление на материалите.
Механиката на деформируемото твърдо тяло е наука за баланса и движението на твърдите тела и техните отделни частици, като се вземат предвид промените в разстоянията между отделните точки на тялото, които възникват в резултат на външни влияния върху твърдото тяло. Механиката на деформируемото твърдо тяло се основава на законите на движението, открити от Нютон, тъй като скоростите на движение на реалните твърди тела и техните отделни частици една спрямо друга са значително по-малки от скоростта на светлината. За разлика от теоретичната механика, тук се разглеждат промените в разстоянията между отделните частици на тялото. Последното обстоятелство налага известни ограничения върху принципите на теоретичната механика. По-специално, в механиката на деформируемо твърдо тяло, прехвърлянето на точки на приложение на външни сили и моменти е неприемливо.
Анализът на поведението на деформируемите твърди тела под въздействието на външни сили се извършва на базата на математически модели, които отразяват най-значимите свойства на деформируемите тела и материалите, от които са направени. В този случай, за да се опишат свойствата на материала, се използват резултатите експериментални изследвания, които послужиха като основа за създаване на материални модели. В зависимост от модела на материала, механиката на деформируемото твърдо тяло е разделена на раздели: теория на еластичността, теория на пластичността, теория на пълзенето, теория на вискоеластичността. От своя страна, механиката на деформируемото твърдо тяло е част от по-общата част на механиката - механиката на непрекъснатите среди. Механиката на непрекъснатата среда, като клон на теоретичната физика, изучава законите на движение на твърди, течни и газообразни среди, както и плазма и непрекъснати физически полета.
Развитието на механиката на деформируемото твърдо тяло до голяма степен е свързано със задачите за създаване на надеждни конструкции и машини. Надеждността на конструкцията и машината, както и надеждността на всички техни елементи, се осигурява от здравина, твърдост, стабилност и издръжливост през целия експлоатационен живот. Силата се разбира като способността на конструкцията (машината) и всички нейни (нейни) елементи да поддържат своята цялост при външни въздействия, без да бъдат разделени на части, които не са предвидени предварително. При недостатъчна здравина структурата или нейните отделни елементи се разрушават чрез разделяне на едно цяло на части. Коравината на конструкцията се определя от степента на промяна на формата и размерите на конструкцията и нейните елементи под въздействието на външни влияния. Ако промените във формата и размерите на конструкцията и нейните елементи не са големи и не пречат на нормалната работа, тогава такава конструкция се счита за достатъчно твърда. В противен случай твърдостта се счита за недостатъчна. Стабилността на конструкцията се характеризира със способността на конструкцията и нейните елементи да поддържат формата си на равновесие под действието на случайни сили, които не са предвидени от условията на работа (смущаващи сили). Конструкцията е в стабилно състояние, ако след отстраняване на смущаващите сили се върне към първоначалната си форма на равновесие. В противен случай има загуба на стабилност на първоначалната форма на равновесие, което, като правило, е придружено от разрушаване на структурата. Издръжливостта се разбира като способността на конструкцията да устои на влиянието на променящи се във времето сили. Променливите сили причиняват нарастване на микроскопични пукнатини в материала на конструкцията, което може да доведе до разрушаване на структурните елементи и конструкцията като цяло. Следователно, за да се предотврати разрушаването, е необходимо да се ограничат величините на силите, които са променливи във времето. В допълнение, най-ниските честоти на естествените колебания на конструкцията и нейните елементи не трябва да съвпадат (или да са близки до) честотите на колебанията на външните сили. В противен случай конструкцията или нейните отделни елементи влизат в резонанс, което може да причини разрушаване и повреда на конструкцията.
По-голямата част от изследванията в областта на механиката на твърдото тяло са насочени към създаване на надеждни конструкции и машини. Това включва проектирането на конструкции и машини и проблемите на технологичните процеси за обработка на материали. Но обхватът на приложение на механиката на деформируемото твърдо тяло не се ограничава само до техническите науки. Методите му се използват широко в природните науки като геофизика, физика на твърдото тяло, геология, биология. Така че в геофизиката с помощта на механиката на деформируемото твърдо тяло се изучават процесите на разпространение на сеизмични вълни и процесите на образуване на земната кора, изучават се фундаментални въпроси на структурата на земната кора и др.
Всички твърди тела са съставени от реални материали с огромно разнообразие от свойства. От тях само няколко са от съществено значение за механиката на деформируемото твърдо тяло. Следователно материалът е надарен само с тези свойства, които позволяват да се изследва поведението на твърдите вещества с най-ниска цена в рамките на разглежданата наука.
Механиката на деформируемото твърдо тяло е наука, в която се изучават законите на равновесието и движението на твърдите тела в условията на тяхната деформация при различни въздействия. Деформацията на твърдо тяло се изразява в промяна на размера и формата му. С това свойство на твърдите тела като елементи на конструкции, конструкции и машини, инженерът постоянно се сблъсква в практическата си дейност. Например прът се удължава под действието на опънни сили, греда, натоварена с напречен товар, се огъва и т.н.
Под действието на натоварвания, както и при топлинни въздействия, в твърдите тела възникват вътрешни сили, които характеризират устойчивостта на тялото на деформация. вътрешни силина единица площ се наричат напрежения.
Изследването на напрегнатите и деформираните състояния на твърди тела под различни влияния е основният проблем на механиката на деформируемото твърдо тяло.
Съпротивлението на материалите, теорията на еластичността, теорията на пластичността, теорията на пълзенето са раздели от механиката на деформируемото твърдо тяло. В техническите, по-специално в строителните университети, тези раздели са от приложен характер и служат за разработване и обосноваване на методи за изчисляване на инженерни конструкции и конструкции на здравина, твърдости устойчивост.Правилното решение на тези проблеми е в основата на изчисляването и проектирането на конструкции, машини, механизми и др., тъй като осигурява тяхната надеждност през целия период на експлоатация.
Под силаобикновено се разбира като способността за безопасно функциониране на структура, структура и техните отделни елементи, което би изключило възможността за тяхното унищожаване. Загубата (изчерпването) на якостта е показана на фиг. 1.1 на примера за разрушаване на лъч под действието на сила Р.
Процесът на изчерпване на якостта без промяна на схемата на работа на конструкцията или формата на нейното равновесие обикновено е придружен от увеличаване на характерните явления, като появата и развитието на пукнатини.
Структурна стабилност -това е способността му да поддържа първоначалната форма на равновесие до разрушаване. Например за пръта на фиг. 1.2 адо определена стойност на силата на натиск първоначалната праволинейна форма на равновесие ще бъде стабилна. Ако силата надвиши определена критична стойност, тогава огънатото състояние на пръта ще бъде стабилно (фиг. 1.2, б).В този случай прътът ще работи не само при компресия, но и при огъване, което може да доведе до бързото му разрушаване поради загуба на стабилност или до появата на неприемливо големи деформации.
Загубата на стабилност е много опасна за конструкциите и конструкциите, тъй като може да се случи за кратък период от време.
Структурна твърдостхарактеризира способността му да предотвратява развитието на деформации (удължения, деформации, ъгли на усукване и др.). Обикновено твърдостта на конструкциите и конструкциите се регулира от стандартите за проектиране. Например максималните отклонения на гредите (фиг. 1.3), използвани в строителството, трябва да бъдат в рамките на /= (1/200 + 1/1000) /, ъглите на усукване на валовете обикновено не надвишават 2 ° на 1 метър дължина на вала и т.н.
Решаването на проблемите на надеждността на конструкцията е придружено от търсене на най-оптималните варианти по отношение на ефективността на работата или експлоатацията на конструкциите, потреблението на материали, технологичността на монтажа или производството, естетическото възприятие и др.
Устойчивост на материалите в технически университетие по същество първата инженерна дисциплина в процеса на обучение в областта на проектирането и изчисляването на конструкции и машини. Курсът по якост на материалите описва основно методите за изчисляване на най-простите конструктивни елементи - пръти (греди, греди). В същото време се въвеждат различни опростяващи хипотези, с помощта на които се извеждат прости формули за изчисление.
В якостта на материалите широко се използват методите на теоретичната механика и висшата математика, както и данните от експерименталните изследвания. Като основна дисциплина дисциплините, изучавани от зрелостниците, като строителна механика, строителни конструкции, изпитване на конструкции, динамика и якост на машини и др., до голяма степен разчитат на якостта на материалите като основна дисциплина.
Теорията на еластичността, теорията на пълзенето, теорията на пластичността са най-общите раздели на механиката на деформируемото твърдо тяло. Хипотезите, въведени в тези раздели, са общ характери се отнасят главно до поведението на материала на тялото в процеса на неговата деформация под действието на натоварване.
В теориите на еластичността, пластичността и пълзенето се използват възможно най-точни или достатъчно строги методи за аналитично решаване на проблеми, което изисква участието на специални клонове на математиката. Резултатите, получени тук, позволяват да се дадат методи за изчисляване на по-сложни конструктивни елементи, като плочи и черупки, да се разработят методи за решаване на специални проблеми, като например проблема с концентрацията на напрежение в близост до дупки, а също и да се установи области на приложение на решения за якост на материалите.
В случаите, когато механиката на деформируемото твърдо тяло не може да осигури методи за изчисляване на конструкции, които са достатъчно прости и достъпни за инженерната практика, се използват различни експериментални методи за определяне на напреженията и деформациите в реални конструкции или в техните модели (например тензодатчикът метод, поляризационно-оптичният метод, методът холография и др.).
Формирането на якостта на материалите като наука може да се отдаде на средата на миналия век, което е свързано с интензивното развитие на промишлеността и изграждането на железопътни линии.
Заявките за инженерна практика дадоха тласък на изследванията в областта на якостта и надеждността на конструкциите, конструкциите и машините. Учените и инженерите през този период разработиха доста прости методи за изчисляване на структурни елементи и поставиха основите на по-нататъчно развитиенаука за силата.
Теорията на еластичността започва да се развива в началото на 19 век като математическа наука, която няма приложен характер. Теорията на пластичността и теорията на пълзенето като независими раздели на механиката на деформируемото твърдо тяло се формират през 20 век.
Механиката на деформируемото твърдо тяло е непрекъснато развиваща се наука във всичките си клонове. Разработват се нови методи за определяне на напрегнатите и деформираните състояния на телата. Различни числени методи за решаване на задачи са широко използвани, което е свързано с въвеждането и използването на компютри в почти всички области на науката и инженерната практика.
mstone.ru - Творчество, поезия, подготовка за училище