Билет 3. Пара сил и момент силы относительно точки. Кручение. Эпюры крутящих моментов.

Вопрос 1.

Парой сил называется приложенная к твердому телу система двух сил (F, F'), равных по модулю, параллельных и направленных в противоположные стороны:

F = -F'; F=F'.

Расстояние d между линиями действия сил пары называется плечом пары; плоскость , в которой действуют силы пары, называется плоскостью действия пары. Совокупность нескольких пар, действующих на тело, называется системой пар.

Пара сил не имеет равнодействующей. Она стремится сообщить телу некоторое вращение. Вращательный эффект пары характеризуется векторной величиной, называемой моментом пары. Момент пары сил относительно точки O

M_O(F, F') = M_O(F) + M_O(F')

не зависит от выбора точки O и равен моменту одной из сил пары относительно точки приложения другой силы

M(F, F') = M_A(F') = M_B(F).

Момент пары сил M перпендикулярен плоскости действия пары, направлен по правилу правого винта и равен по модулю произведению модуля любой из сил на плечо пары: M = F · d.

Векторный момент пары сил может быть приложен в любой точке пространства, т.е. является свободным вектором.

Две пары сил, имеющие одинаковые векторные моменты, эквивалентны, т.е. оказывают на тело одинаковое механическое действие.

Эквивалентность пар: действие пары сил на твердое тело не изменится, если

• переместить пару в другое положение в плоскости ее действия;
• плоскость ее действия переместить параллельно самой себе;
• любым образом изменить модули сил и плечо пары, сохранив неизменным их произведение, т.е. момент пары M=F · d.

Сложение пар сил: система n пар сил с моментами M₁, M₂,..., M_n эквивалентна одной паре с моментом M, равным векторной сумме моментов этих пар: M = M_k.

Условие равновесия системы пар, приложенных к твердому телу: M = M_k=0.

Вопрос 2. Построение эпюр крутящих моментов.

Стержень испытывает кручение, если в его поперечных сечениях возникают крутящие моменты, т.е. моменты, лежащие в плоскости сечения. Обычно эти крутящие моменты Тк возникают под действием внешних моментов Т (рис. 2.1). Внешние моменты передаются на вал, как правило, в местах посадки на него шкивов, зубчатых колес и т.п.

Однако и поперечная нагрузка, смещенная относительно оси стержня, вызывает крутящие моменты (рис. 2.2), но в указанном слечае

в поперечных сечениях наряду с крутящими моментами возникают и другие внутренние усилия - поперечные силы и изгибающие моменты.

Вращающиеся и работающие на кручение стержни называют валами.

Вместо аксонометрического изображения будем применять главным образом плоское, как более простое. Внешние скручивающие моменты и внутренние крутящие моменты будем изображать в виде линии с двумя кружочками. В одном из них будем ставить точку, обозначающую начало стрелки (на нас), в другом - крестик, обозначающий конец стрелки, направленный от нас (рис. 2.3).

Для определения крутящих моментов Тк возникающих в сечениях вала под действием внешних скручивающих моментов или поперечной нагрузки, будем применять метод сечений. Сделаем мысленный разрез стержня (рис. 2.3), например по а - а, отбросим одну часть стержня, в данном случае левую, и рассмотрим равновесие оставшейся правой части.

Взаимодействие частей стержня заменим крутящим моментом Тк, уравновешивающим внешний момент Т. Для равновесия отсеченной части необходимо, чтобы алгебраическая сумма всех моментов, действующих на нее, была равна нулю. Отсюда в рассматриваемом случае получим, что Тк = Т. Если на отсеченную часть будет действовать несколько внешних моментов, то, проведя аналогичное рассуждения, можно убедиться, что крутящий момент в сечении численно равен алгебраической сумме внешних скручивающих моментов, действующих по одну сторону от сечения.

Для наглядного представления о характере распределения и величине крутящих моментов по длине стержня строят эпюры (графики) этих моментов. Построение их вполне аналогично построению эпюр продольных сил при растяжении или сжатии. Для построения эпюр необходимо условиться о правиле знаков. Общепринятого правила знаков для крутящих моментов не существует. Может быть принято любое правило знаков. Важно лишь принятое правило выдержать на всем протяжении эпюры.

Примем следующее правило знаков (рис. 2.4). Крутящий момент в сечении а - а считается положительным, когда внешний момент вращает отсеченную часть против часовой стрелки, если смотреть на отсеченную часть со стороны сечения. Если же внешний момент вращает отсеченную часть по часовой стрелке (при взгляде со стороны сечения), то крутящий момент в сечении будем считать отрицательным.

Построение эпюры крутящих моментов поясним на следующем примере (рис. 2.5): рассмотрим вал CD, опирающийся на подшипники B и A и находящийся в равновесии под действием приложенных к нему в сечениях E, K и L моментов. Сделав сечение а - а где-либо на участке DL и рассмотрев равновесие правой отсеченной части, убедимся, что Тк = 0. Если мы сделаем затем сечение b - b в любом месте участка LK, то из условия равновесия правой от сечения части получим Тк = 20 кН * м.

Момент считаем положительным в соответствии с принятым правилом знаков. Сделав сечение с - с на участке KE из условия равновесия правой части, получаем 20 - 30 - Тк = 0. Откуда Тк = -10 кН * м.

Получившаяся эпюра имеет форму двух прямоугольников. Важно заметить, что в местах приложения внешних моментов ординаты эпюры скачкообразно изменяются на величину приложенного здесь внешнего момента.

Если заданы поперечные нагрузки, вызывающие кручение стержня (рис. 2.2), то предварительно вычисляют внешние скручивающие моменты, создаваемые этими силами. В случае, представленном на рис. 2.2, внешний скручивающий момент от силы F равен T = Fr. После определения внешних моментов определяют внутренние крутящие моменты и строят эпюры, как указано выше.