1.5. Напряженное и деформированное состояния при растяжении — сжатии

Рассмотрим более детально особенности напряженного состояния, возникающего в однородном растянутом стержне.

Рис. 1.18

Определим сначала напряжения в некоторой наклонной площадке, составляющей угол а с плоскостью нормального сечения (рис. 1.18). Полное напряжение на этой площадке, согласно условию однородности напряженного состояния для всех точек площадки, будет одним и тем же. Равнодействующая же внутренних сил в сечении должна быть направлена по оси стержня и равна растягивающей силе т. е.

где - площадь косого сечения, . Таким образом, полное напряжение на наклонной площадке

Раскладывая это напряжение по нормали и по касательной к наклонной площадке (рис. 1.18, б), находим

или

Как видим, для одной и той же точки растянутого стержня значения возникающих в сечении напряжений оказываются различными в зависимости от ориентации секущей площадки. Поэтому, в частности, неточным было бы утверждение, что при растяжении возникают только нормальные напряжения. Это верно только для площадок, нормальных к оси стержня.

Если положить то из выражений (1.10) и (1.11) мы получим напряжения в поперечном сечении стержня, т. е.

При т. е. в продольных сечениях, ста Это значит, что продольные слои растянутого стержня не имеют между собой силового взаимодействия по боковым поверхностям. В этом смысле растяжение стержня можно уподобить растяжению пучка не связанных между собой параллельных нитей.

Касательное напряжение та, обращаясь в нуль в продольных и поперечных сечениях, имеет наибольшее значение на площадках, наклоненных под углом 45° к оси растянутого стержня:

Если из растянутой полосы мы выделим прямоугольник (рис. 1.19, а), то на его гранях АВ и следует приложить напряжения , определяемые выражениями (1.10) и (1.11).

Рис. 1.19

На рис. 1.19, б эти напряжения отмечены сверху штрихом. На гранях и напряжения вычисляют также по формулам (1.10), (1.11), в которых только угол а заменяют углом а Эти напряжения отмечены двумя штрихами. Таким образом, то напряженное состояние, которое показано на рис. 1.19, б, представляет собой обыкновенное растяжение, но изображенное в непривычном для нас ракурсе.

Существенно отметить, что переход от произвольной площадки а к площадке не сказывается на абсолютной величине касательного напряжения та. Действительно,

Следовательно, на двух взаимно перпендикулярных площадках (если отвлечься пока от знаков) касательные напряжения должны быть равными. Это условие является общей особенностью любого напряженного состояния и носит название закона парности касательных напряжений.

Этому закону можно дать наглядное толкование. Если рассмотреть произвольно взятый элемент (см. рис. 1.19, а), то легко заметить, что, независимо от значений нормальных напряжений о и касательные напряжения должны иметь такое значение и такое направление, чтобы моменты их пар взаимно уравновешивались (см. рис. 1.19, б). Для произвольно взятого элемента, имеющего толщину , очевидно, что

Таким образом,

При этом, как видно на рис. 1.19, б, векторы касательных напряжений в двух взаимно перпендикулярных площадках направлены либо оба к общему ребру (ребра А и С), либо от общего ребра

Закон парности касательных напряжений в самом общем виде сложного напряженного состояния будет рассмотрен еще раз в гл. 7.

Теперь обратимся к анализу деформированного состояния растянутого стержня.

Наблюдения показывают, что удлинение стержня в осевом направлении сопровождается уменьшением его поперечных размеров (рис. 1.20). Таким образом, при растяжении возникает не только продольная, но и поперечная деформация стержня:

Рис. 1.20

Экспериментально установлено, что в пределах применимости закона Гука поперечная деформация пропорциональна продольной:

где - безразмерный коэффициент пропорциональности, называемый коэффициентом Пуассона. Коэффициент характеризует свойства материала. Определяют его экспериментальным путем. Для всех металлов числовые значения лежат в пределах . В дальнейшем, в гл. 7, будет показано, что для изотропного материала значение вообще не может превышать 0,5.

Вернемся к рис. 1.19, а. Полоса удлиняется в продольном направлении и сужается в поперечном. Стороны прямоугольника начерченного на поверхности полосы, изменят свою длину, а сам прямоугольник перекосится и превратится в параллелограмм. Углы А и С уменьшатся, а В и - увеличатся. Это изменение прямого угла для заданной ориентации сторон, как нам уже известно, называется угловой деформацией или углом сдвига. Чтобы найти его, мы определим сначала углы, на которые повернутся отрезки АВ и Разность этих углов и даст нам искомый угол сдвига.

Начнем с отрезка АВ (рис. 1.21). Построим на нем, как на диагонали, вспомогательный прямоугольник стороны которого и ориентированы по продольной оси стержня. Вследствие продольного удлинения точка В переместится вправо и отрезок АВ повернется на угол

Рис. 1.21

В результате поперечного сужения отрезок АВ получит дополнительный угол поворота

Сумма этих углов дает нам искомый угол поворота отрезка АВ:

или

Изменяя угол а на 90°, найдем положение отрезка АВ:

Угловая деформация (угол сдвига) определяется разностью углов поворота отрезков, и, следовательно,

Сопоставляя это выражение с выражением (1.11), выведенным для напряжения та, замечаем, что угол сдвига между плоскостями АВ и АС независимо от а пропорционален касательному

напряжению, т.е.

Это соотношение в случае изотропного материала является единым для всех типов напряженных состояний и носит название закона Гука для сдвига. Опуская индекс а, напишем последнее выражение в виде

где величина называется модулем сдвига, или модулем упругости второго рода:

Модуль измеряется в тех же единицах, что и модуль Е.

Таким образом, если закон Гука для растяжения постулируется при помощи соотношений (1.4) и (1.12), то для сдвига он вытекает из них как следствие.