Закон гука и растяжение в материале

Законом Гука называют базовую зависимость в механике, устанавливающую взаимосвязь между усилиями и соответствующими им упругими деформациями.

Закон был открыт в 1660 году английским ученым Робертом Гуком.

Проведя серию экспериментов с растяжением и сжатием пружин, Гук заметил, что изменение их длины прямо пропорционально растягивающей (сжимающей) их силе.

Свои наблюдения он оформил в виде закона: «Какова сила, таково и удлинение».

Современная формулировка закона существенно отличается от оригинала и зависит от дисциплины, в которой рассматривается зависимость деформаций от усилий.

Подробнее про закон Гука смотрите в нашем видео:

Закон Гука в физике

В современных учебниках физики Закон Гука имеет вид:

и формулируется следующим образом:
«При малых деформациях сила упругости пропорциональна деформации тела и направлена в сторону, противоположную направлению перемещения его частиц»

Коэффициент k характеризует жесткость образца и зависит от его размеров и материала.

Например, для стержней, работающих на растяжение или сжатие, он может быть рассчитан по формуле:

где:
E – Модуль упругости I рода (модуль Юнга);
A – Площадь поперечного сечения бруса;
l – Длина стержня.

Знак минус означает, что силы упругого сопротивления направлены обратно растягивающей силе.

Закон Гука в сопромате

В технической механике и сопротивлении материалов в частности закон Гука гласит: «До определенного момента, называемого пределом пропорциональности, упругие деформации прямо пропорциональны напряжениям».

Здесь:
σ — Нормальные напряжения в сечении;
ε — Относительные продольные деформации.

Рассмотрим преобразование физической формы закона к его механическому виду.

Подставим вместо коэффициента k его выражение



Отношение продольной силы F к площади поперечного сечения A в левой части дает нормальные напряжения в сечении

Отношение абсолютных деформаций к начальной длине образца – это относительное изменение его длины

В таком виде закон Гука используется в сопромате и технической механике.

Закон выполняется только для напряжений не превышающих предела пропорциональности.

При растяжении и сжатии

При растяжении и сжатии закон Гука можно получить, вернув в его канонический вид геометрические параметры стержня (длину и площадь поперечного сечения), и записав получившееся выражение относительно линейной деформации:

Здесь
Δl- Абсолютная деформация стержня;
F — Продольная сила;
l — Длина стержня до нагружения;
E – Модуль продольной упругости материала;
A – Площадь поперечного сечения стержня.

При изгибе

При изгибе закон устанавливает зависимость между кривизной продольной оси и величиной изгибающего момента в соответствующем сечении балки.

где:
ρ — Радиус кривизны продольной оси балки в данном сечении;
M — Величина соответствующего внутреннего изгибающего момента;
E – Модуль Юнга;
Ix — Осевой момент инерции поперечного сечения балки.

Обобщенный закон Гука

Для общего случая нагружения изотропных материалов, когда напряженное состояние отличается от линейного (одноосного) применяется закон Гука в обобщённом виде.

ε — Относительные деформации вдоль соответствующих осей;
ν — Коэффициент Пуассона;
σ — Нормальные напряжения по соответствующим площадкам элемента.

Потому что деформации в поперечных направлениях тоже влияют на изменение продольных размеров.

Для чистого сдвига

γ — Угловое перемещение соответствующей площадки элемента;
τ — Касательные напряжения;
G — Модуль упругости II рода (модуль сдвига).

Испытание на растяжение >>
Диаграмма напряжений >>

Напряжения и деформации при растяжении и сжатии связаны между собой линейной зависимостью, которая называется законом Гука, по имени английского физика Р. Гука (1653-1703 г.г.), установившего этот закон.
Сформулировать закон Гука можно так: нормальное напряжение прямо пропорционально относительному удлинению или укорочению.

Математически эта зависимость записывается так:

σ = E ε.

Здесь Е – коэффициент пропорциональности, который характеризует жесткость материала бруса, т. е. его способность сопротивляться деформации; его называют модулем продольной упругости, или модулем упругости первого рода.
Модуль упругости, как и напряжение, выражаются в паскалях (Па).

Значения Е для различных материалов устанавливаются экспериментально-опытным путем, и их величину можно найти в соответствующих справочниках.
Так, для стали Е = (1,96.…2,16) х 105 МПа, для меди Е = (1,00…1,30) х 105 МПа и т. д.

Следует оговориться, что закон Гука справедлив лишь в определенных пределах нагружения.
Если в формулу закона Гука подставить полученные ранее значения относительного удлинения и напряжения: ε = Δl / l , σ = N / А, то можно получить следующую зависимость:

Δl = N l / (E А).

Произведение модуля упругости на площадь сечения Е×А, стоящее в знаменателе, называют жесткостью сечения при растяжении и сжатии; оно характеризует одновременно и физико-механические свойства материала бруса и геометрические размеры поперечного сечения этого бруса.

Приведенную выше формулу можно читать так: абсолютное удлинение или укорочение бруса прямо пропорционально продольной силе и длине бруса, и обратно пропорционально жесткости сечения бруса.
Выражение Е А / l называют жесткостью бруса при растяжении и сжатии.

Приведенные выше формулы закона Гука справедливы лишь для брусьев и их участков, имеющих постоянное поперечное сечение, изготовленных из одного материала и при постоянной силе. Для бруса, имеющего несколько участков, отличающихся материалом, размерами сечения, продольной силой, изменение длины всего бруса определяется, как алгебраическая сумма удлинений или укорочений отдельных участков:

Δl = Σ (Δli)

Деформация

Деформация (англ. deformation) — это изменение формы и размеров тела (или части тела) под действием внешних сил, при изменении температуры, влажности, фазовых превращениях и других воздействиях, вызывающих изменение положения частиц тела. При увеличении напряжения деформация может закончиться разрушением. Способность материалов сопротивляться деформации и разрушению под воздейстивем различного вида нагрузок характеризуется механическими свойствами этих материалов.

На появление того или иного вида деформации большое влияние оказывает характер приложенных к телу напряжений. Одни процессы деформации связаны с преобладающим действием касательной составляющей напряжения, другие — с действием его нормальной составляющей.

Виды деформации

По характеру приложенной к телу нагрузки виды деформации подразделяют следующим образом:

• Деформация растяжения;
• Деформация сжатия;
• Деформация сдвига (или среза);
• Деформация при кручении;
• Деформация при изгибе.

К простейшим видам деформации относятся: деформация растяжения, деформация сжатия, деформация сдвига. Выделяют также следующие виды деформации: деформация всестороннего сжатия, кручения, изгиба, которые представляют собой различные комбинации простейших видов деформации (сдвиг, сжатие, растяжение), так как сила приложенная к телу, подвергаемому деформации, обычно не перпендикулярна его поверхности, а направлена под углом, что вызывает как нормальные, так и касательные напряжения. Изучением видов деформации занимаются такие науки, как физика твёрдого тела, материаловедение, кристаллография.

В твёрдых телах, в частности — металлах, выделяют два основных вида деформаций — упругую и пластическую деформацию, физическая сущность которых различна.

Сдвигом называют такой вид деформации, когда в поперечных сечениях возникают только перерезывающие силы. Такое напряженное состояние соответствует действию на стержень двух равных противоположно направленных и бесконечно близко расположенных поперечных сил (рис. 2.13, а, б), вызывающих срез по плоскости, расположенной между силами.

Рис. 2.13. Деформация и напряжения при сдвиге

Срезу предшествует деформация – искажение прямого угла между двумя взаимно-перпендикулярными линиями. При этом на гранях выделенного элемента (рис. 2.13, в) возникают касательные напряжения. Величина смещения граней называется абсолютным сдвигом. Значение абсолютного сдвига зависит от расстояния h между плоскостями действия сил F. Более полно деформацию сдвига характеризует угол , на который изменяются прямые углы элемента – относительный сдвиг:

. (2.27)

Используя ранее рассмотренный метод сечений, легко убедиться, что на боковых гранях выделенного элемента возникают только перерезывающие силыQ=F, являющиеся равнодействующими касательных напряжений:

. (2.28)

Принимая во внимание, что касательные напряжения распределены равномерно по поперечному сечению А, их значение определяется соотношением:

. (2.29)

Экспериментально установлено, что в пределах упругих деформаций величина касательных напряжений пропорциональна относительному сдвигу (закон Гука при сдвиге):

, (2.30)

где G – модуль упругости при сдвиге (модуль упругости второго рода).

Между модулями продольной упругости и сдвига существует взаимосвязь

,

где – коэффициент Пуассона.

Приближенные значения модуля упругости при сдвиге, МПа: сталь – 0,8·105; чугун – 0,45·105; медь – 0,4·104; алюминий – 0,26·105; резина – 4.

2.4.1.1. Расчеты на прочность при сдвиге

Чистый сдвиг в реальных конструкциях реализовать крайне сложно, так как вследствие деформации соединяемых элементов происходит дополнительный изгиб стержня, даже при сравнительно небольшом расстоянии между плоскостями действия сил. Однако в ряде конструкций нормальные напряжения в сечениях малы и ими можно пренебречь. В этом случае условие прочностной надежности детали имеет вид:

, (2.31)

где – допускаемые напряжение на срез, которые обычно назначают в зависимости от величины допускаемого напряжения при растяжении:

– для пластичных материалов при статической нагрузке=(0,5…0,6) ;

– для хрупких – =(0,7 … 1,0) .

2.4.1.2. Расчеты на жесткость при сдвиге

Они сводятся к ограничению упругих деформаций. Решая совместно выражение (2.27)–(2.30), определяют величину абсолютного сдвига:

, (2.32)

где – жесткость при сдвиге.

Кручение

2.4.2.1. Построение эпюр крутящих моментов

2.4.2.2. Деформации при кручении

2.4.2.3. Напряжения при кручении

2.4.2.4. Геометрические характеристики сечений

2.4.2.5. Расчеты на прочность и жесткость при кручении

Кручением называют такой вид деформации, когда в поперечных сечениях возникает единственный силовой фактор – крутящий момент.

Деформация кручения происходит при нагружении бруса парами сил, плоскости действия которых перпендикулярны к его продольной оси.

2.4.2.1. Построение эпюр крутящих моментов

Для определения напряжений и деформаций бруса строят эпюру крутящих моментов, показывающую распределение крутящих моментов по длине бруса. Применив метод сечений и рассмотрев в равновесии любую часть, станет очевидно, что момент внутренних сил упругости (крутящий момент ) должен уравновесить действие внешних (вращающих) моментов на рассматриваемую часть бруса. Принято момент считать положительным, если наблюдатель смотрит на рассматриваемое сечение со стороны внешней нормали и видит вращающий момент Т, направленным против хода движения часовой стрелки. При противоположном направлении моменту приписывается знак минус.

Например, условие равновесия для левой части бруса имеет вид (рис. 2.14):

– в сечении А-А:

; ,

– в сечении Б-Б:

.

Границами участков при построении эпюры являются плоскости действия вращающих моментов .

Рис. 2.14. Расчетная схема бруса (вала) при кручении

2.4.2.2. Деформации при кручении

Если на боковую поверхность стержня круглого поперечного сечения нанести сетку (рис. 2.15, а) из равноотстоящих окружностей и образующих, а к свободным концам приложить пары сил с моментами Т в плоскостях, перпендикулярных к оси стержня, то при малой деформации (рис. 2.15, б) можно обнаружить:

Рис. 2.15. Схема деформации при кручении

· образующие цилиндра превращаются в винтовые линии большого шага;

· квадраты, образованные сеткой, превращаются в ромбы, т.е. происходит сдвиг поперечных сечений;

· сечения, круглые и плоские до деформации, сохраняют свою форму и после деформации;

· расстояние между поперечными сечениями практически не изменяется;

· происходит поворот одного сечения относительно другого на некоторый угол.

На основании этих наблюдений теория кручения бруса основана на следующих допущениях:

· поперечные сечения бруса, плоские и нормальные к его оси до деформации, остаются плоскими и нормальными к оси и после деформации;

· равноотстоящие поперечные сечения поворачиваются относительно друг друга на равные углы;

· радиусы поперечных сечений в процессе деформации не искривляются;

· в поперечных сечениях возникают только касательные напряжения. Нормальные напряжения малы. Длину бруса можно считать неизменной;

· материал бруса при деформации подчиняется закону Гука при сдвиге: .

В соответствии с этими гипотезами кручение стержня круглого поперечного сечения представляют как результат сдвигов, вызванных взаимным поворотом сечений.

На стержне круглого поперечного сечения радиусом r, заделанным одним концом и нагруженным вращающим моментом Т на другом конце (рис. 2.16, а), обозначим на боковой поверхности образующую АD, которая под действием момента займет положение АD1. На расстоянии Z от заделки выделим элемент длиной dZ. Левый торец этого элемента в результате кручения повернется на угол , а правый – на угол (). Образующая ВС элемента займет положениеВ1С1, отклонившись от исходного положения на угол . В силу малости этого угла

.

Отношениепредставляет угол закручивания единицы длины стержня и называется относительным углом закручивания. Тогда

. (2.33)

Рис. 2.16. Расчетная схема определения напряжений
при кручении стержня круглого поперечного сечения

2.4.2.3. Напряжения при кручении

Принимая во внимание (2.33), закон Гука при кручении можно описать выражением:

. (2.34)

В силу гипотезы, что радиусы круглых поперечных сечений не искривляются, касательные напряжения сдвига в окрестностях любой точки тела, находящейся на расстоянии от центра (рис. 2.16, б), равны произведению

, (2.35)

т.е. пропорциональны расстоянию ее до оси.

Значение относительного угла закручивания по формуле (2.35) может быть найдено из условия, что элементарная окружная сила () на элементарной площадке размером dA, расположенной на расстоянии от оси бруса, создает относительно оси элементарный момент (рис. 2.16, б):

.

Сумма элементарных моментов, действующих по всему поперечному сечению А, равна крутящему моменту МZ. Считая, что :

.

Интеграл представляет собой чисто геометрическую характеристику и носит название полярного момента инерции сечения.

Таким образом,

, (2.36)

откуда, угол закручивания единицы длины бруса

. (2.37)

Произведение называется жесткостью сечения бруса при кручении.

Полный угол закручивания, рад:

. (2.38)

Если крутящий момент и момент инерции сечения постоянны по длине стержня, то полный угол закручивания

. (2.39)

Решив совместно выражения (2.35) и (2.36), получим уравнение

, (2.40)

из которого следует, что напряжение в точке поперечного сечения прямо пропорционально расстоянию до центра сечения. При . Наибольшие напряжения возникают у наружной поверхности: .

Отношение полярного момента инерции к наибольшему радиусу r называется моментом сопротивления сечения кручению , мм3:

. (2.41)

Условие прочности принимает вид

Закон Гука при сдвиге

Материалы о физике / Основы сопротивления материалов / Закон Гука при сдвиге

Для определения зависимости между нагрузкой и деформацией при сдвиге проводят испытания материала на кручение. При данном испытании строится диаграмма сдвига (график зависимости между касательным напряжением и относительным сдвигом). Более подробное описание испытания на кручение образцов цилиндрической формы приведено в методических указаниях к лабораторным работам

Для пластичных материалов диаграмма сдвига аналогична диаграмме растяжения (рис. 4.5).

Рис. 4.5

При рассмотрении деформации образца в пределах упругости видна линейная зависимость между относительным сдвигом и касательным напряжением.

(4.23)

где — коэффициент пропорциональности, который называется модулем упругости при сдвиге или модулем упругости второго рода.

Зависимость (4.23) выражает закон Гука при сдвиге.

Между величинами модуля продольной упругости и модуля упругости при сдвиге для одного и того же материала существует зависимость

(4.24)

При значении коэффициента Пуассона получим, что

Запишем выражение для перемещения одной грани относительно другой (абсолютного сдвига (рис. 4.1)) при чистом сдвиге. Обозначая площадь грани , равнодействующую сдвигающую силу и расстояние между сдвигаемыми гранями (рис. 4.1), получим

(4.25)

Формула (4.25) выражает закон Гука для абсолютного сдвига.

Рекомендуемые страницы:

Воспользуйтесь поиском по сайту: