11125

Геометрические характеристики плоских сечений. Статические моменты площади. Центр тяжести площади

Реферат

Математика и математический анализ

Геометрические характеристики плоских сечений. Основным объектом изучаемым в курсе сопротивление материалов является стержень. Сопротивление стержня различным видам деформации часто зависит не только от его материалов и размеров но и от очертаний оси формы попер...

Русский

2015-01-19

1.28 MB

201 чел.

Геометрические характеристики плоских сечений.


Основным объектом, изучаемым в курсе сопротивление материалов, является стержень.

Сопротивление стержня различным видам деформации часто зависит не только от его материалов и размеров, но и от очертаний оси, формы поперечных сечений и их расположения. Рассмотрим основные геометрические характеристики поперечных сечений бруса, определяющие сопротивление различным видам деформаций.

Статические моменты площади. Центр тяжести площади.

Рассмотрим произвольную фигуру (поперечное сечение бруса), связанную с координатными осями  и  (рис. 2.1). Выделим элемент площади  с координатами , . По аналогии с выражением для момента силы относительно какой-либо оси можно составить выражения и для момента площади, которое называется моментом площади. Так, произведение элемента площади  на расстояние  от оси .

(2.1)

называется статическим моментом элемента площади относительно оси .

Рис. .

Аналогично:

(2.2)

Просуммировав такие произведения по всей площади фигуры, получим соответственно статические моменты относительно осей  и :

;  (2.3)

Пусть ,  - координаты центра тяжести фигуры. Продолжая аналогию с моментами сил, на основании теоремы о моменте равнодействующей можно написать следующие выражения:

  (2.4)

где  - площадь фигуры. Очевидно, что статические моменты площади относительно осей проходящих через центр тяжести (центральных осей) равны нулю.

Координаты центра тяжести:

. (2.5)

В качестве примера вычислим статический момент треугольника (рис. 2.2) относительно оси, проходящей через основание. На расстоянии  от нее выделим элементарную площадку в виде полоски, параллельной оси . Площадь полоски

.

Учитывая, что

,

имеем

.

Рис. .

Еще проще решить эту задачу, пользуясь формулой (2.4).

Учитывая, что

;  ,

статический момент

Для вычисления статических моментов сложной фигуры ее разбивают на простые части (рис. 2.3), для каждой из которых известна площадь  и положение центра тяжести  и . Статический момент площади всей фигуры относительно данной оси определяется как сумма статических моментов каждой части:

Рис. .

 (2.6)

По формулам (2.5) и (2.6) легко найти координаты центра тяжести сложной фигуры:

;  (2.7)

Моменты инерции плоски фигур

Осевым, или экваториальным, моментом инерции площади фигуры называют интеграл произведений элементарных площадей на квадраты расстояний от рассматриваемой оси

 (2.8)

Рис. .

Полярным моментом инерции площади фигуры относительно данной точки (полюса ) называют интеграл произведений элементарных площадей на квадраты их расстояний от полюса:

 (2.9)

Если через полюс проведена система взаимно перпендикулярных осей  и , то . Из выражения (2.9) имеем

(2.10)

Отметим, что величины осевых и полярных моментов инерции всегда положительны.

Центробежным моментом инерции называют интеграл произведений площадей элементарных площадок на их расстояния от координатных осей  и :

(2.11)

В зависимости от положения осей центробежный момент инерции может быть положительным или отрицательным. Очевидно, что, постепенно поворачивая оси, можно найти такое их положение, при котором центробежный момент инерции равен нулю. Такие оси называют главными осями инерции.

Две взаимно перпендикулярные оси, из которых хотя бы одна является осью симметрии фигуры, всегда будут ее главными осями инерции

Главные оси, проходящие через центр тяжести сечения, называют главными центральными осями.

Моменты инерций сложных сечений.

В расчетной практике часто приходится вычислять моменты инерции сложных сечений относительно различных осей, лежащих в плоскости фигуры. Для стандартных поперечных сечений стержней моменты инерции относительно различных осей даны в сортаменте.

При вычислении нестандартных сложных сечений последние можно разбить на отдельные простые части, моменты которых известны. Из основного свойства интеграла суммы следует, что момент инерции сложной фигуры равен сумме моментов инерции составных ее частей.

Если в сечении есть отверстие, его обычно удобно считать частью фигуры с отрицательной площадью.

Моменты инерций относительно параллельных осей.

Пусть известны моменты инерции фигуры относительно центральных осей  и :

; ;  (2.12)

Требуется определить моменты инерции относительно осей, параллельных центральным (рис 2.5).

Рис. .

; ;  (2.13)

Координаты любой точки в новой системе  можно выразить через координаты в старых осях так:

;

Подставим эти значения в формулы (2.13) и интегрируем почленно:

(2.14)

(2.15)

(2.16)

Так как интегралы  и  равны нулю как статические моменты относительно центральных осей, то формулы (2.14) - (2.16) принимают вид

;

; (2.17)

Зависимости между моментами инерции при повороте координатных осей.

Пусть известны моменты инерции произвольной фигуры (рис. 2. 6) относительно координатных осей ,:

; ;  (2.18)

Повернем оси , на угол  против часовой стрелки, считая угол поворота осей в этом направлении положительным.

Рис. .

Найдем теперь моменты инерции сечения относительно повернутых осей ,:

; ;  (2.19)

Координаты произвольной элементарной площадки в новой системе  выражаются через координаты , прежней системы следующим образом:

(2.20)

(2.21)

Подставив эти выражения в (2.19) окончательно получим:

(2.22)

(2.23)

(2.24)

Складывая почленно формулы (2.22),(2.23), находим

(2.25)

При повороте прямоугольных осей сумма моментов инерции не изменяется и равна полярному моменту инерции относительно начала координат.

Определение направления главных осей. Главные моменты инерции.

Наиболее практическое значение имеют главные центральные оси, центробежный момент инерции относительно которых равен нулю. Будем обозначать такие оси буквами  и .

Чтобы определить положение главных центральных осей несимметричной фигуры, повернем произвольную начальную систему центральных осей , (рис 2.7) на некоторый угол  при котором центробежный момент инерции становится равным нулю:

(2.26)

Рис. .

Согласно формулы (2.24)

, (2.27)

откуда

. (2.28)

Полученные из формулы (2.28) два значения угла  отличаются друг от друга на 90° и дают положение главных осей. Как легко видеть, меньший из этих углов по абсолютной величине не превышает π/4. В дальнейшем будем пользоваться только меньшим углом. Проведенную под этим углом главную ось будем обозначать буквой . На рис (2.8) приведены некоторые примеры обозначения главных осей в соответствии с указанным правилом. Начальные оси обозначаются буквами  и .

Рис. .

Значения главных моментов инерции можно определить из следующих выражений:

; (2.29)

, (2.30)

Причем верхние знаки следует брать при >, а нижние – при <.

Понятие о радиусе инерции

Момент инерции фигуры относительно какой-либо оси можно представить в виде произведения площади фигуры на квадрат некоторой величины, называемой радиусом инерции.

(2.31)

где  - радиус инерции относительно оси .

Из выражения (2.31) следует, что

(2.32)

Аналогично радиус инерции площади сечения относительно оси

(2.33)

Главным центральным осям инерции соответствуют главные радиусы инерции

 (2.34)


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

67176. Организация разработки требований к сложным программным средствам 139 KB
  Проекты программных средств различаются по уровню сложности масштабу и необходимому качеству. Чаще всего проблемами с которыми встретились не достигшие своих целей проекты программных продуктов являются: недостаток информации от пользователя...
67177. ПОЛИТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА И ГОСУДАРСТВО 138.5 KB
  Любое государство функционирует в определенной социальной среде зависит от экономики и культуры общества его структуры психологии и ценностных предпочтений граждан в свою очередь оказывая на них мощное воздействие.
67178. ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ АНЕСТЕЗИОЛОГИИ. ИНГАЛЯЦИОННЫЙ НАРКОЗ 278 KB
  Универсальной и общепризнанной теории действия анестетиков нет. Ранние теории наркоза в настоящее время представляются полностью несостоятельными: Коагуляционная теория Кьюн 1864 коагуляция белка под влиянием эфира и хлороформа обнаружилось что коагуляция происходит только при концентрациях значительно превышающих терапевтические.
67179. Проблеми державного відтворення української культури у 1917-1920 рр. та особливості національно-культурного розвитку українських земель у 1920-1930-х рр. XX століття 133 KB
  Відкриття Української Академії наук УАН. відбулося територіальне роз'єднання українських земель завершилося формування української нації ускладнилася соціальна структура та політизувалося суспільне життя. Ця орієнтація зумовила вивчення проблем етнографії фольклору мови а також стимулювала бажання...
67180. Повернення об’єктів функціями. Потенційні проблеми 74.5 KB
  Якщо об'єкти можна передавати функціям, то з таким самим успіхом функції можуть повертати об'єкти. Щоби функція могла повернути об'єкт, по-перше, необхідно оголосити об'єкт, який повертається нею, типом відповідного класу. По-друге, потрібно забезпечити повернення...
67181. Асиметричні криптоперетворення та їх застосування для забезпечення конфіденційності 240.65 KB
  Найбільшою особливістю асиметричних перетворень є використання асиметричної пари ключів, які містить відкритий ключ, що відомий всім, та особистого ключа, що пов’язаний з відкритим ключем за допомогою певного математичного перетворення.
67182. ПРАВОВОЕ ГОСУДАРСТВО И ГРАЖДАНСКОЕ ОБЩЕСТВО 305.5 KB
  Аристотель выделял два рода правления, один из которых направлен к выгоде правителя, другой — подданных, общества. В них по-разному проявлялась роль права как посредника между человеком и государством. Ясно, что в обществах, где в выгоде находились правители, право в большей мере использовалось в качестве
67183. ДВИГАТЕЛЬНАЯ ФУНКЦИЯ ЦНС 137 KB
  Командные двигательные центры расположены в стволе мозга и моторных областях коры которые связаны с локальными моторными аппаратами нисходящими путями. Так например нейроны моторной коры вызывающие сгибание руки контактируют посредством своих аксонов с управляющими именно...
67184. Лексика с точки зрения происхождения 119 KB
  Кальки лексические семантические фразеологические Причины заимствования внешние и внутренние Пути заимствования устный и письменный; непосредственно и через язык-посредник Внутренние заимствования Освоение заимствований Экзотизмы и варваризмы Отношение к заимствованиям...