Инженер начинается в шлоле

Под действием внешних сил элементы конструкции и вся она целиком в большей или меньшей степени изменяют свою форму и размеры. Это изменение формы и размеров называется деформацией. Основные типы деформаций (рис. 15). 1. Растяжение (А) или сжатие (Б) — его испытывают цепи, канаты, тросы, колонны, элементы в фермах (мостов). 2. Перерезывание (В) — ему подвержены болты, винты, заклепки. 3. Кручение (Г) — возникает при работе валов. 4. Изгиб (Д) — ему подвергаются различные балки. Деформации разделяются на упругие и остаточные. Упругими деформациями называются такие, которые появляются под влиянием внешних сил и исчезают после того, как эти силы перестают действовать. После того как внешняя сила, вызвавшая упругую деформацию, прекращает свое действие, деформированный элемент восстанавливает свою первоначальную форму и размеры. Этот вид деформации всем хорошо знаком на примере дверной пружины. Чем шире открываешь дверь, тем сильнее растягивается пружина, а Рис. 15. Основные типы деформаций. как только дверь отпустишь, пружина сожмется до первоначальной длины: дверь закроется со стуком. Упругая деформация материала возможна только до определенного предела. Если величина нагрузки превысит этот предел, то после «разгрузки» элемент (изделие) своей первоначальной формы полностью не восстановит, а так и останется деформированным. Примером служит та же пружина: повесишь на нее груз потяжелее, она вытянется, но уже не сожмется после снятия груза. Эта деформация и называется остаточной. Максимальное напряжение, при котором начинается разрушение материала, называется пределом прочности, или временным сопротивлением материала. Предельное напряжение, при котором деформированный элемент после снятия деформирующего усилия восстанавливает свою первоначальную форму, называется пределом упругости. Превышение предела упругости вызывает остаточную деформацию. В тех случаях, когда конструкция должна сохранять свою форму неизменной, необходимо рассчитать размеры каждого элемента так, чтобы его деформация под действием нагрузки не превышала предела упругости. Выбирая материал и размеры того или иного элемента конструкции, необходимо учитывать, чтобы возникающие при работе напряжения были меньше тех, при которых материал разрушается или получает остаточные деформации. Иначе говоря, деформации всегда должны быть упругими а напряжение — меньше предела упругости материала, из которого элементы конструкции изготовлены.

Инерцией тела называют его свойство сохранять состояние покоя или прямолинейного и равномерного движения. Любому изменению скорости тело оказывает сопротивление. Это сопротивление обычно называют силой инерции. Она зависит только от массы тела. Чтобы привести в движение тело, находящееся в покое, например снаряд, вложенный в ствол орудия, необходимо приложить силу. В стволе ее создают пороховые газы. Они давят на снаряд только до тех пор, пока он движется внутри ствола. В это время снаряд, обладая инерцией, противодействует газам. Взаимодействие газов со снарядом прекращается, как только он вылетит из ствола. Однако благодаря инерции снаряд продолжает лететь до тех пор, пока его не остановят силы сопротивления среды. В данном случае инерция проявляется двояко: во время движения снаряда внутри ствола она противодействует его разгону до необходимой скорости, после же вылета из ствола именно благодаря инерции снаряд летит, преодолевая сопротивление среды. С силами инерции мы встречаемся и на транспорте: когда автомобиль трогается с места или разгоняется, водителя и пассажиров инерцией прижимает к сиденью, а когда перед движущейся машиной возникает неожиданное препятствие и водитель резко тормозит или сворачивает в сторону, силы инерции стаскивают пассажиров с сидений или прижимают к боковой стенке кузова. А если стенку убрать, то инерция способна вообще вышвырнуть пассажира из кузова. В школьной мастерской силы инерции особенно заметны при работе строгального станка: в конце хода ползуна, когда меняется направление его движения, происходит удар, который сотрясает и станок и даже его фундамент. При этом ослабевают соединения деталей, усиленно срабатываются детали кулисного механизма. Большой износ деталей может привести к их поломке. В этом случае ползун слетит с направляющих. Поэтому правила техники безопасности предписывают во время работы стоять только сбоку от станка. При работе токарного станка вибрация, вызванная силами инерции, особенно ощутима при обработке крупных несимметричных деталей, устанавливаемых на планшайбе. В этих случаях необходимо применять уравновешивающие контргрузы. При современном уровне развития техники в быстроходных машинах силы инерции в десятки и сотни раз превышают вес движущихся деталей. Эти силы создают дополнительные нагрузки на детали, дополнительные силы трения, вибрацию машин и фундаментов. Известно немало случаев, когда от действия центробежных сил ломались отдельные детали машин, разлетались маховики, диски турбин, шлифовальные круги. Поэтому детали, подвергающиеся действию значительных сил инерции, необходимо усиливать. Но делать это нужно не путем увеличения сечения деталей, что приведет к увеличению их массы (а значит, и сил инерции тоже), а путем применения более прочных материалов и придания деталям такой формы, которая наиболее рациональна с точки зрения расположения массы по отношению к оси вращения. Примером правильного выбора формы служит колесо центробежного компрессора авиационного двигателя и шкив ведущего вала фрикционного пресса (рис. 9). Колесо компрессора делает большое число оборотов, и потому большую часть массы колеса располагают ближе к оси вращения. Фрикционному прессу приходится преодолевать сопротивление металла. Для этого нужна большая сила. Ее получают, используя инерцию приводного шкива ведущего вала пресса. Конструкция шкива такова, что большая часть массы расположена на максимально возможном удалении от оси вращения. Пока вал вращается вхолостую, двигатель сравнительно небольшой мощности разгоняет шкив, имеющий значительную массу. Во время рабочего хода пресса сопротивление деформируемого металла тормозит вращение шкива и возникающие при этом силы инерции прибавляются к силе, развиваемой двигателем, помогая ему справиться с «упрямым» материалом. Если понаблюдать за работой пресса, то по изменению числа оборотов шкива видно, как возрастает при холостом ходе и уменьшается в момент прессования сила инерции. На рисунке 10 изображен маятник Максвелла, который служит для демонстрации перехода потенциальной энергии в кинетическую и наоборот. Задание № 8. Не меняя массы диска, изменить его форму так,чтобы максимально увеличить период колебаний маятника.

Временное сопротивление материала — это та предельная нагрузка, при которой наступает разрушение. Но ведь изделие, которое будет изготовлено из этого материала, разрушаться не должно! Чтобы этого не случилось, оно должно обладать необходимым запасом прочности. Чтобы создать такой запас, гарантирующий сохранность изделия при работе, конструктор при расчете должен допускать в его элементах напряжение, которое значительно меньше предела прочности материала. Число, показывающее, во сколько раз допущенное в конструкции напряжение меньше предела прочности материала, называется коэффициентом запаса прочности. Его величина зависит от условий работы конструкции и от того, насколько опасны последствия разрушения ее элемента. Что, например, может случиться, если сломается крючок вешалки, на котором висит пальто? Ничего особенного: поднимешь пальто, почистишь и повесишь на другой крючок. А что произойдет, если оборвется предохранительный пояс, который удерживает верхолаза, выполняющего работу на верхушке мачты электропередачи, или же не выдержат нагрузки стропы парашюта в момент его раскрытия? Произойдет страшное: и верхолаз, и парашютист погибнут. Поэтому крючок вешалки достаточно рассчитать на статическую нагрузку, лишь не намного превышающую вес пальто, а предохранительный пояс и детали парашюта — на динамическую нагрузку, значительно превышающую средний вес человека и падающего вместе с ним снаряжения. В тех случаях, когда недостаточная прочность изделия или какой-либо из его частей может привести к авариям, предварительная проверка только материала и отдельных элементов конструкции недостаточна, и тогда приходится испытывать все изделие целиком. Для такого испытания изготавливается опытный образец конструкции в натуральную величину или его точная, но уменьшенная копия — модель. Испытание проводится так, чтобы каждый элемент конструкции подвергался действию нагрузок, значительно превышающих те, которые будет испытывать этот же элемент при работе в обычных для конструкции условиях. Например, при испытании моста на него завозят и ставят вплотную, колесо к колесу, десятки большегрузных автомобилей. В процессе же эксплуатации мост испытывает нагрузку в несколько раз меньшую, так как расстояние между идущими через мост машинами всегда намного больше, а вес у большинства из них гораздо меньше. Парашют же вначале испытывают, сбрасывая на нем по многу раз с самолета манекен, вес которого значительно больше веса человека. Проверка самолета предварительно производится в аэродинамической трубе. Внутри ее закрепляют модель самолета и мощными вентиляторами разгоняют обтекающий ее воздух до нужной скорости. Если модель испытания не выдержит и разрушится, то в конструкцию будут внесены необходимые изменения за счет увеличения прочности отдельных ее элементов. Когда же будет достигнута необходимая прочность модели, конструкторы произведут соответствующий перерасчет размеров каждой детали и будет изготовлен опытный образец самолета в натуральную величину. Его много раз будут испытывать сначала на земле, а затем в воздухе, выбирая наиболее трудные условия. Производить испытание будут опытнейшие летчики-испытатели, а вместо пассажиров в салонах будут размещены мешки с песком и контрольные приборы. Испытатели будут вводить самолет в грозовые тучи, выключать в полете часть двигателей, сажать самолет с одним выпущенным шасси и с убранными шасси, не на колеса, а на «брюхо», то есть в условиях наиболее тяжелого полета и вынужденной посадки. Все конструкции, разрушение которых в процессе работы может поставить под угрозу жизнь людей, наделяются повышенным коэффициентом запаса прочности. Таковы все виды транспортных и подъемных машин, жилые здания и т. д. Например, трос, на котором подвешена кабина лифта, рассчитан так, чтобы выдержать 14-, а то и 20-кратную перегрузку. Это, естественно, вызывает добавочный расход материала. Но речь ведь идет о безопасности людей!..