- •1: Методические основы определения внутренних силовых факторов.
- •2: Критерии работоспособности элементов конструкций. Основные задачи сопротивления материалов.
- •1.1. Задачи сопротивления материалов
- •3: Гипотезы сопротивления материалов.
- •Сопротивление материалов
- •4: Геометрические характеристики плоских сечений.
- •5: Механические свойства конструкционных материалов при растяжении и сжатии.
- •6: Напряжения и перемещения при растяжении и сжатии. Закон Гука.
- •7: Допускаемые напряжения и запасы прочности.
- •8: Расчеты на прочность и жесткость статически определимых и стат. Неопределимых систем при растяжении и сжатии.
- •9: Температурные напряжения.
- •10: Чистый сдвиг и его особенности. Расчеты на прочность при сдвиговых деформациях. Сдвиговая деформация
- •11: Кручение стержня круглого сечения. Напряжение и перемещение при кручении.
- •12: Расчеты на прочность и жесткость при кручении.
- •13: Поперечный изгиб. Поперечная сила и изгибающий момент.
- •14: Усталостная прочность. Расчеты при совместном действии кручения и изгиба. Поперечный изгиб
- •15: Определение перемещений при изгибе.
- •16: Сложное сопротивление. Гипотезы прочности. Эквивалентные напряжения.
- •17: Сложное сопротивление. Расчеты на прочность при совместном действии изгиба и кручения. Сложное сопротивление.
- •18: Критические нагрузки при продольном изгибе. Задача Эйлера.
- •19: Расчеты на устойчивость при продольном изгибе.
- •20: Кпд сложных систем.
- •21: Теория гибкой нити. Уравнение состояния
- •56: Теория гибкой нити. Определение провеса.
- •23: Контактные напряжения. Основы расчета.
- •24: Основы классификации машин. Назначение и роль передач в машинах.
- •51: Механические передачи. Назначение. Основные разновидности. Детали машин.
- •25: Основные кинематические и силовые соотношения в механических передачах.
- •26: Принципы и стадии конструирования. Понятие о сапр.
- •27: Допуски и посадки. Основы выбора и анализа посадок.
- •28: Зубчатые цилиндрические передачи. Общие сведения, кинематика, геометрические параметры.
- •29: Зубчатые конические передачи. Общие сведения, кинематика, геометрические параметры.
- •49: Зубчатые конические передачи. Усилия в зацеплении. Основы расчета на прочность.
- •30:Основы расчета зубчатых передач на изгиб.
- •31: Основы расчета зубчатых передач на контактную прочность.
- •32: Червячные передачи. Общие сведения, кинематика, геометрические параметры.
- •33: Дифференциальные уравнения движения материальной точки.
- •34: Подшипники качения. Основы выбора и расчет долговечности. Опоры и направляющие.
- •35: Общая характеристика и основы расчета заклепочных соединений.
- •36: Общая характеристика и основы расчета сварных соединений.
- •37: Общая характеристика и основы расчета резьбовых соединений.
- •2. Расчет болта нагруженного поперечной силой и установленного без зазора.
- •3. Расчет резьбы на смятие.
- •38: Общая характеристика и основы расчета шпоночных и шлицевых соединений.
- •39: Валы и оси. Конструкции. Основы расчета.
- •40: Кинематический анализ механизмов вращательного движения.
- •41: Уравнение равновесия плоской системы сходящихся сил.
- •42: Уравнение равновесия системы сил, произвольно расположенных на плоскости.
- •43: Реакции связи и методы их определения. Статика Понятия и определения
- •Аксиомы статики
- •Связи и реакции связи
- •45. Теорема об изменении кинетической энергии Основы динамики точки и тела. Динамика механизмов.
- •46: Основы кинетостатики. Принцип Даламбера.
- •47: Червячные передачи. Усилия в зацеплении. Основы расчета на прочность.
- •48: Кинематический анализ рычажных механизмов.
- •50: Главный вектор и главный момент. Приведение системы сил к простейшему виду.
- •Уравнение равновесия пространственной системы сил
- •52:Основы структурного анализа и синтеза рычажных механизмов
- •53: Ременные передачи. Общие сведения, кинематика, геометрические параметры.
- •54: Ременные передачи. Основы расчета.
- •55: Цепные передачи. Общие сведения, кинематика, геометрические параметры.
- •56: Цепные передачи. Основы расчета.
21: Теория гибкой нити. Уравнение состояния
56: Теория гибкой нити. Определение провеса.
Расчет гибких нитей.
В технике встречается еще один вид растянутых элементов, при определении прочности которых важное значение имеет собственный вес. Это — так называемые гибкие нити. Таким термином обозначаются гибкие элементы в линиях электропередач, в канатных дорогах, в висячих мостах и других сооружениях.
Пусть (Рис.1) имеется гибкая нить постоянного сечения, нагруженная собственным весом и подвешенная в двух точках, находящихся на разных уровнях. Под действием собственного веса нить провисает по некоторой кривой АОВ.
Горизонтальная проекция расстояния между опорами (точками ее закрепления), обозначаемая , носит название пролета.
Нить имеет постоянное сечение, следовательно, вес ее распределен равномерно по ее длине. Обычно провисание нити невелико по сравнению с ее пролетом, и длина кривой АОВ мало отличается (не более чем на 10%) от длины хорды АВ. В этом случае с достаточной степенью точности можно считать, что вес нити равно- мерно распределен не по ее длине, а по длине ее проекции на горизонтальную ось, т. е. вдоль пролета l.
Рис.1. Расчетная схема гибкой нити.
Эту категорию гибких нитей мы и рассмотрим. Примем, что интенсивность нагрузки, равномерно распределенной по пролету нити, равна q. Эта нагрузка, имеющая размерность сила/длина, может быть не только собственным весом нити, приходящимся на единицу длины пролета, но и весом льда или любой другой нагрузкой, также равномерно распределенной. Сделанное допущение о законе распределения нагрузки значительно облегчает расчет, но делает его вместе с тем приближенным; если при точном решении (нагрузка распределена вдоль кривой) кривой провисания будет цепная линия, то в приближенном решении кривая провисания оказывается квадратной параболой.
Начало координат выберем в самой низшей точке провисания нити О, положение которой, нам пока неизвестное, очевидно, зависит от величины нагрузки q, от соотношения между длиной нити по кривой и длиной пролета, а также от относительного положения опорных точек. В точке О касательная к кривой провисания нити, очевидно, горизонтальна. По этой касательной направим вправо ось .
Вырежем двумя сечениями — в начале координат и на расстоянии от начала координат (сечение m — n) — часть длины нити. Так как нить предположена гибкой, т. е. способной сопротивляться лишь растяжению, то действие отброшенной части на оставшуюся возможно только в виде силы, направленной по касательной к кривой провисания нити в месте разреза; иное направление этой силы невозможно.
На рис.2 представлена вырезанная часть нити с действующими на нее силами. Равномерно распределенная нагрузка интенсивностью q направлена вертикально вниз. Воздействие левой отброшенной части (горизонтальная сила Н) направлено, ввиду того, что нить работает на растяжение, влево. Действие правой отброшенной части, сила Т, направлено вправо по касательной к кривой провисания нити в этой точке.
Cоставим уравнение равновесия вырезанного участка нити. Возьмем сумму моментов всех сил относительно точки приложения силы Т и приравняем ее нулю. При этом учтем, опираясь на приведенное в начале допущение, что равнодействующая распределенной нагрузки интенсивностью q будет , и что она приложена посредине отрезка . Тогда
Рис.2. Фрагмент вырезанной части гибкой нити
откуда
(1)
Отсюда следует, что кривая провисания нити является параболой. Когда обе точки подвеса нити находятся на одном уровне, то Величина в данном случае будет так называемой стрелой провисания. Ее легко определить. Так как в этом случае, ввиду симметрии, низшая точка нити находится посредине пролита, то ; подставляя в уравнение (1) значения и получаем:
(2)
Из этой формулы находим величину силы Н:
(3)
Величина Н называется горизонтальным натяжением нити.
Таким образом, если известны нагрузка q и натяжение H, то по формуле (2) найдем стрелу провисания . При заданных и натяжение Н определяется формулой (3). Связь этих величин с длиной нити по кривой провисания устанавливается при помощи известной из математики приближенной формулы)
Составим еще одно условие равновесия вырезанной части нити, а именно, приравняем нулю сумму проекций всех сил на ось :
Из этого уравнения найдем силу Т — натяжение в произвольной точке
Откуда следует, что сила Т увеличивается от низшей точки нити к опорам и будет наибольшей в точках подвеса — там, где касательная к кривой провисания нити составляет наибольший угол с горизонталью. При малом провисании нити этот угол не достигает больших значений, поэтому с достаточной для практики степенью точности можно считать, что усилие в нити постоянно и равно ее натяжению Н. На эту величину обычно и ведется расчет прочности нити. Если все же требуется вести расчет на наибольшую силу у точек подвеса, то для симметричной нити ее величину определим следующим путем. Вертикальные составляющие реакций опор равны между собой и равны половине суммарной нагрузки на нить, т. е. . Горизонтальные составляющие равны силе Н, определяемой по формуле (3). Полные реакции опор получатся как геометрические суммы этих составляющих:
Условие прочности для гибкой нити, если через F обозначена площадь сечения, имеет вид:
Заменив натяжение Н его значением по формуле (3), получим:
Из этой формулы при заданных , , и можно определить необходимую стрелу провисания . Решение при этом упростится, если в включен лишь собственный вес; тогда , где — вес единицы объема материала нити, и
т. е. величина F не войдет в расчет.
Если точки подвеса нити находятся на разных уровнях, то, подставляя в уравнение (1) значения и , находим и :
Отсюда из второго выражения определяем натяжение
а деля первое на второе, находим:
или
Имея в виду, что , получаем:
или
Подставив это значение в формулу определенного натяжения Н, окончательно определяем:
(6.15)
Два знака в знаменателе указывают на то, что могут быть две основные формы провисания нити. Первая форма при меньшем значении Н (знак плюс перед вторым корнем) дает нам вершину параболы между опорами нити. При большем натяжении Н (знак минус перед вторым корнем) вершина параболы расположится левее опоры А (Рис.1). Получаем вторую форму кривой. Возможна и третья (промежуточная между двумя основными) форма провисания, соответствующая условию ; тогда начало координат совмещается с точкой А. Та или иная форма будет получена в зависимости от соотношений между длиной нити по кривой провисания АОВ (Рис.1) и длиной хорды АВ.
Если при подвеске нити на разных уровнях неизвестны стрелы провисания и , но известно натяжение Н, то легко получить значения расстояний а и b и стрел провисания , и . Разность h уровней подвески равна:
Подставим в это выражение значения и , и преобразуем его, имея в виду, что :
откуда
а так как то
и
Следует иметь в виду, что при будет иметь место первая форма провисания нити, при — вторая форма провисания и при — третья форма. Подставляя значения и в выражения для стрел провисания и , получаем величины и :
Теперь выясним, что произойдет с симметричной нитью, перекрывающей пролет , если после подвешивания ее при температуре и интенсивности нагрузки температура нити повысится до а нагрузка увеличится до интенсивности (например, из-за ее обледенения). При этом предположим, что в первом состоянии задано или натяжение , или стрела провисания (Зная одну из этих двух величин, всегда можно определить другую.)
При подсчете деформации нити, являющейся по сравнению с длиной нити малой величиной, сделаем два допущения: длина нити 'равна ее пролету, а натяжение постоянно и равно Н. При пологих нитях эти допущения дают небольшую погрешность.
В таком случае удлинение нити, вызванное увеличением температуры, будет равно
где — коэффициент линейного температурного расширения материала нити.
При повышении температуры нить удлиняется. В связи с этим увеличится ее стрела провисания и, как следствие, уменьшится ее натяжение. С другой стороны, из-за увеличения нагрузки, как видно из формулы (3), натяжение увеличится. Допустим, что окончательно натяжение увеличивается. Тогда удлинение нити, вызванное увеличением натяжения, будет, согласно закону Гука, равно:
Если окажется меньше, чем то величина будет отрицательной. При понижении температуры будет отрицательной величина
Таким образом, длина нити во втором ее состоянии будет равна длине при первом ее состоянии с добавлением тех деформаций, которые произойдут от повышения температуры и натяжения:
Изменение длины нити вызовет изменение и ее стрелы провисания. Вместо , она станет .
Теперь заменим в последнем уравнении и их известными выражениями, а деформации и — также их полученными ранее значениями. Тогда уравнение для S2 примет следующий вид:
В этом уравнении заменим и их значениями по формуле (2):
и
Тогда, после некоторых преобразований, уравнение для расчета натяжения может быть написано в виде:
Определив из этого уравнения натяжение , можно найти по формуле (2) и стрелу .
В случае, если при переходе от первого ко второму состоянию нагрузка не изменяется, а изменяется лишь температура, то в последнем уравнении интенсивность заменяется на . В случае, если при переходе от первого ко второму состоянию не изменяется температура, а изменяется лишь нагрузка, то в этом уравнении средний член в квадратной скобке равен нулю. Полученное уравнение пригодно, конечно, и при понижении температуры и уменьшении нагрузки.
В тех случаях, когда стрела провисания не является малой по сравнению с пролетом, выведенные выше формулы, строго говоря, неприменимы, так как действительная кривая провисания нити, цепная линия, будет уже значительно отличаться от параболы, полученной нами благодаря предположению о равномерном распределении нагрузки по пролету нити, а не по ее длине, как то имеет место в действительности.
Точные подсчеты показывают, что значение погрешности в величине натяжения Н, вызванной этим предположением, таково: при отношении погрешность не превосходит 0,3%, при ошибка составляет уже 1,3%, а при погрешность несколько, превосходит 5%.