рк 3. Российский государственный социальный университет итоговое практическое задание по дисциплине механика
![]()
|
ИТОГОВОЕ ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ по дисциплине «механика» Задачи статики гибкой нити в инженерном деле. (тема практического задания)
Москва 2019 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 ![]() 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 ![]() 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 ![]() ![]() ![]() Рис.2. Фрагмент вырезанной части гибкой нити ![]() откуда
Отсюда следует, что кривая провисания нити является параболой. Когда обе точки подвеса нити находятся на одном уровне, то ![]() ![]() ![]() ![]() ![]()
Из этой формулы находим величину силы Н:
Величина Н называется горизонтальным натяжением нити. Таким образом, если известны нагрузка q и натяжение H, то по формуле (2) найдем стрелу провисания ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() 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. ![]() ![]() 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 ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() т. е. величина F не войдет в расчет. Если точки подвеса нити находятся на разных уровнях, то, подставляя в уравнение (1) значения ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() Отсюда из второго выражения определяем натяжение ![]() а деля первое на второе, находим: ![]() ![]() Имея в виду, что ![]() ![]() ![]() Подставив это значение ![]()
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 ![]() ![]() Если при подвеске нити на разных уровнях неизвестны стрелы провисания ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() Подставим в это выражение значения ![]() ![]() ![]() ![]() откуда ![]() а так как ![]() ![]() ![]() Следует иметь в виду, что при ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() Теперь выясним, что произойдет с симметричной нитью, перекрывающей пролет ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() 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 ![]() 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 ![]() ![]() ![]() ![]() 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 ![]() ![]() Теперь заменим в последнем уравнении ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() В этом уравнении заменим ![]() ![]() ![]() ![]() Тогда, после некоторых преобразований, уравнение для расчета натяжения может быть написано в виде: ![]() Определив из этого уравнения натяжение ![]() ![]() В случае, если при переходе от первого ко второму состоянию нагрузка не изменяется, а изменяется лишь температура, то в последнем уравнении интенсивность ![]() ![]() 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 ![]() ![]() ![]() |