О внутренних и внешних силах в расчётных схемах (о нагрузках и напряжениях)

   Внешнее воздействие - всякое воздействие на конструкцию со стороны других тел, находящимися за границей её очертания Это может быть силовое воздействие, температурное, а также заданное перемещение или ускорение.

    Внешние силы - силы, действующие на точки механической системы со стороны тел, не входящих в систему (силы взаимодействия между рассматриваемым элементом конструкции и связанными с ним телами).

   Внешние силы, воспринимаемые конструкциями, называются нагрузками. К внешним силам относят также и реакции связей.

 

   Реакция связи - сила (пара, мотор сил), с которой связь действует на тело.

   Если связь препятствует поступательному перемещению тела, то её реакция - сила, если связь препятствует повороту тела, то её реакция - пара сил.

   О схематизации связей в расчётных схемах по этой ссылке

    Внутренние силы (внутренние усилия) – силы взаимодействия между точками системы, в сопротивлении материалов – приращение сил взаимодействия между частицами, возникающих при его нагружении.

   Внутренние силы попарно равны, противоположны по направлению и имеют общую линию действия.

   Дополнительные силы взаимодействия между частицами материала, возникающие в телах при их деформации, вызванной внешней нагрузкой, называются внутренними силами: при деформации тела изменяются расстояния между его частицами, что в свою очередь приводит к изменению сил взаимного притяжения между ними - отсюда, как следствие, возникают внутренние усилия, стремящиеся уравновесить внешнюю нагрузку и сохранить тело как единое целое.

    В нагруженном теле, находящемся в равновесии внешние нагрузки стремятся вызвать деформацию тела, а внутренние усилия стремятся сохранить тело как единое целое (стараются препятствовать всякой попытке изменить взаимное расположение частиц, т.е. деформировать тело)..

    Внешняя нагрузка (внешние силы), приложенная к некоторому телу, стремится вызвать его деформацию, изменить взаимное расположение частиц, чем порождает внутренние усилия в нём, противодействующие активному действию внешней нагрузки, стремящиеся уравновесить внешнюю нагрузку.

   С увеличением внешних сил внутренние силы также увеличиваются, но лишь до определённого предела, зависящего от свойств материала, после чего тело он начинает разрушаться.

    Внутри любого материала всегда имеются силы межатомного взаимодействия - внутренние силы, однако в сопротивлении материалов не рассматривают (не принимают во внимание) внутренние силы, действующие в теле, которое находится в своём естественном (ненагруженном) состоянии, а изучают и вычисляют только те дополнительные величины внутренних сил, которе появляются в результате нагружения тела. Поэтому, говоря о внутренних силах имеют ввиду именно эти дополнительные силы, возникающие в результате нагружения.

    Внутренние усилия, распределенные по сечениям тела, называются напряжениями.
    Напряжения определяют как величину внутренней силы, приложенной к единице площади рассматриваемого сечения.

По характеру приложения внешние силы могут быть:


    - Сосредоточенные в одной точке (точечные) силы - силы, приложенные к площадкам, размеры которых малы по сравнению с размерами объекта (действующие на небольших участках поверхности). (например, давление шарика шарикоподшипника на вал, давление обода колеса на рельсы и т.п.)
    В природе точечных нагрузок не существует, поэтому в расчетных схемах под сосредоточенными в одной точке силами подразумевают давления, распределенные по небольшой части поверхности тела: любая нагрузка в реальных конструкциях прикладывается к некоторой площади.
    Замена распределенных сил сосредоточенной равнодействующей возможна лишь в тех задачах, где анализируется напряженное состояние системы в целом в объемах, существенно превышающих объемы контактной зоны. Иными словами, если площадь приложения нагрузки или длина приложения нагрузки после приведения плоской нагрузки к линейной, значительно меньше размеров тела или элемента конструкции к которому она приложена, то такую нагрузку можно условно рассматривать, как сосредоточенную в одной точке.

    Переход от сосредоточенной нагрузки к равномерно распределенной и наоборот осуществляется только с помощью соответствующих коэффициентов.


    - Распределенные силы – силы, приложенные к значительным участкам поверхности:

       а) Линейные (погонные) силы (нагрузка) - силы, распределённые непрерывно по некоторой длине равномерно или по заданному закону.

       б) Поверхностные силы – силы, распределённые по некоторой площади поверхности тела, являются результатом взаимодействия твердых тел и внешней среды (например, давление жидкости или газа на стенки сосуда, снеговая нагрузка на кровлю здания).

       в) Объемные (массовые) силы – силы, приложенные к каждой частице материала (непрерывно распределенные по всему телу) (силы, действующие на все точки тела). Это, например, сила тяжести, инерционные силы, силы магнитного притяжения и т.п.

   Равнодействующая распределённой нагрузки численно равна площади (объему) её эпюры и приложена в центре её тяжести.

    Интенсивность нагрузки - это величина нагрузки, приходящаяся на единицу объема, площади или длины.



 По времени действия нагрузки делятся на:


    - Постоянные нагрузки – нагрузки, действующие в течение всего срока службы сооружения. Например, собственный вес конструкции.

   - Временные нагрузки – нагрузки, ограниченные по времени действия.



По характеру изменения во времени внешние силы могут быть:

    - Статические силы – нагружения, которые изменяются (возрастают от нуля до своего конечного значения, а затем остаются неизменными) так медленно и плавно во времени, что возникающими при этом ускорениями движущихся (деформируемых) масс можно пренебречь.

   (ускорениями возникающего движения вследствие деформации смещения масс) (инертными силами, возникающими при движении инертных масс).

   При статическом нагружении можно считать, что нагрузки во всех точках воспринимаются одновременно и в любой момент нагружения система находится в равновесии. Отнесение сил к статическим справедливо, если кинетическая энергия мала по сравнению с упругой энергией деформируемого тела.

    - Динамические силы – быстро изменяющиеся во времени нагружения, при которых возникают значительные инерционные силы, которые необходимо учитывать наряду с другими нагрузками (нельзя пренебречь).

   Нагружения относят к динамическим, если кинетическая энергия соизмерима или более упругой энергии деформируемого тела.

   Динамические нагрузки сопровождаются значительными ускорениями как деформированного тела, так и взаимодействующих с ним тел.

   Динамические нагрузки подразделяют на:

      - мгновенно приложенные

            Нагрузка считается мгновенно приложенной, если она возрастает от нуля до своего конечного значения в течение очень короткого промежутка времени (долей секунды)

            Например, это нагрузка при воспламенении горючей смеси в цилиндре двигателя внутреннего сгорания, нагрузка при трогании с места железнодорожного состава.

      - ударные

            Для  ударной нагрузки характерно то, что, в момент её приложения тело, вызывающее нагрузку, обладает определённой кинетической энергией.

            Например, это нагрузка при забивании свай с помощью копра, нагрузка в деталях механического кузнечного молота.

      - повторно-переменные

            Это нагрузки, непрерывно и периодически меняющиеся во времени. Они, как правило, сопряжены с циклически повторяющимися движениями детали.

            Например, такие нагрузки имеют место при возвратно-поступательном движении штока поршня, при колебаниях элементов конструкций.

    При рассмотрении вопросов равновесия деформируемого тела применимы все законы статики и динамики твердого тела: можно перемещать силы вдоль линии их действия, заменять системы сил статически эквивалентными системами и т.п. При определении деформаций, энергий деформаций и других величин, связанных с перемещениями, указанные действия производить нельзя.