22542

Расчет гибких нитей

Лекция

Производство и промышленные технологии

Это так называемые гибкие нити. 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. Расчетная схема гибкой нити.

Русский

2013-08-04

148.5 KB

21 чел.

Сопротивление материалов Сагадеев В.В.

Лекция № 15. Расчет гибких нитей.

   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 , носит название пролета.

   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 от начала координат (сечение mn) — часть длины нити. Так как нить предположена гибкой, т. е. способной сопротивляться лишь растяжению, то действие отброшенной части на оставшуюся возможно только в виде силы, направленной по касательной к кривой провисания нити в месте разреза; иное направление этой силы невозможно.

   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 , и что она приложена посредине отрезка . Тогда



Рис.2. Фрагмент вырезанной части гибкой нити

 

,

откуда

(1)

   Отсюда следует, что кривая провисания нити является параболой. Когда обе точки подвеса нити находятся на одном уровне, то Величина в данном случае будет так называемой стрелой провисания. Ее легко определить. Так как в этом случае, ввиду симметрии, низшая точка нити находится посредине пролита, то ; подставляя в уравнение (1) значения и получаем:

(2)

Из этой формулы находим величину силы Н:

(3)

Величина Н называется горизонтальным натяжением нити.

   Таким образом, если известны нагрузка q и натяжение H, то по формуле (2) найдем стрелу провисания . При заданных и натяжение Н определяется формулой (3). Связь этих величин с длиной нити по кривой провисания устанавливается при помощи известной из математики приближенной формулы)

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. . Горизонтальные составляющие равны силе Н, определяемой по формуле (3). Полные реакции опор получатся как геометрические суммы этих составляющих:

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 , , и можно определить необходимую стрелу провисания . Решение при этом упростится, если в включен лишь собственный вес; тогда , где — вес единицы объема материала нити, и

т. е. величина F не войдет в расчет.

Если точки подвеса нити находятся на разных уровнях, то, подставляя в уравнение (1) значения и , находим и :

Отсюда из второго выражения определяем натяжение

а деля первое на второе, находим:

или

Имея в виду, что , получаем:

или

Подставив это значение в формулу определенного натяжения Н, окончательно определяем:

(6.15)

   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 ; тогда начало координат совмещается с точкой А. Та или иная форма будет получена в зависимости от соотношений между длиной нити по кривой провисания АОВ (Рис.1) и длиной хорды АВ.

   Если при подвеске нити на разных уровнях неизвестны стрелы провисания и , но известно натяжение Н, то легко получить значения расстояний а и b и стрел провисания, и . Разность h уровней подвески равна:

Подставим в это выражение значения и , и преобразуем его, имея в виду, что :

откуда

а так как то

и

   Следует иметь в виду, что при будет иметь место первая форма провисания нити, при — вторая форма провисания и при — третья форма. Подставляя значения и в выражения для стрел провисания и , получаем величины и :

   Теперь выясним, что произойдет с симметричной нитью, перекрывающей пролет , если после подвешивания ее при температуре и интенсивности нагрузки температура нити повысится до а нагрузка увеличится до интенсивности (например, из-за ее обледенения). При этом предположим, что в первом состоянии задано или натяжение , или стрела провисания (Зная одну из этих двух величин, всегда можно определить другую.)

   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 — коэффициент линейного температурного расширения материала нити.

   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 окажется меньше, чем то величина будет отрицательной. При понижении температуры будет отрицательной величина .

   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, она станет .

Теперь заменим в последнем уравнении и их известными выражениями, а деформации и — также их полученными ранее значениями. Тогда уравнение для S2 примет следующий вид:

В этом уравнении заменим и их значениями по формуле (2):

и

Тогда, после некоторых преобразований, уравнение для расчета натяжения может быть написано в виде:

Определив из этого уравнения натяжение , можно найти по формуле (2) и стрелу .

   В случае, если при переходе от первого ко второму состоянию нагрузка не изменяется, а изменяется лишь температура, то в последнем уравнении интенсивность заменяется на . В случае, если при переходе от первого ко второму состоянию не изменяется температура, а изменяется лишь нагрузка, то в этом уравнении средний член в квадратной скобке равен нулю. Полученное уравнение пригодно, конечно, и при понижении температуры и уменьшении нагрузки.

   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 погрешность не превосходит 0,3%, при ошибка составляет уже 1,3%, а при погрешность несколько, превосходит 5%.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

85312. Функции фольклора 29.24 KB
  Функции фольклора в целом и отдельных его жанров не могли не изменяться в зависимости от общих изменений структуры всей духовной культуры от типа соотношения фольклорных и условно говоря ldquo;нефольклорныхrdquo; форм и видов духовной культуры. Важнейшие общественные функции фольклора функции народной истории народной философии народной социологии.
85313. Методология и методы изучения народной художественной культуры 33.46 KB
  Виды научных исследований в области НХТ. Теоретические исследования НХК выявление сущности принципов функций закономерностей развития НХТ и т. Фольклористические исследования фиксирующие образцы НХТ выявляющие особенности жанров сказки песни театральные тексты и т. Понятие модели в педагогике возможности педагогического моделирования в разработке направлений развития объединений и организаций занимающихся НХТ.
85314. Традиционное народное жилище: структура, функции 44.65 KB
  Кочевой образ жизни издавна определил тип герметически замкнутого компактного жилищасборноразборной сооружения из решетчатого каркаса и войлочного покрытия круглого в основания и полусферическим верхом. Остов стен составляется из связанных между собой складных деревянных решёток которые определяют размеры и вместимость жилища. Если северная часть считалась почётной то южное пространство примыкающая к двери самая низшая часть жилища. Таким образом круглая юрта оригинальный исторически сложившийся образец жилища идеально...
85315. Научные предпосылки формирования курса «Теория и история народной художественной культуры» 35.12 KB
  Этнология сравнительная дисциплина целью которой является описание культуры а изначально и физических обличий между народами и объяснение таких различий по средствам реконструкции истории развития народов миграции и взаимодействия этносов. Эта концепция рассматривает происхождение культуры и культурных элементов в первобытном состоянии человечества. История культуры представляется как непрерывный процесс прямолинейный процесс перехода от простого к более сложному.
85316. Влияние христианства на содержание и формы бытования народной художественной культуры в России 49.9 KB
  Примерно к VI веку в Византии на смену античной языческой картине мира приходит христианская в центре которой страдающий униженный раздираемый противоречиями маленький греховный человек.Бог безусловно центральный образ в новой византийской картине мира: причина бытия источник совершенства и упорядочения мироздания недостижимая цель познания. Меняются представления о космосе о времени и пространстве о ходе истории: на смену представлениям о замкнутых исторических циклах античной картины мира приходит образ телеологического...
85317. Влияние христианства на искусство России 39.75 KB
  Любимейшим чтением русских людей были жития святых называемые также агиографией. Так появились жития первых русских святых Бориса и Глеба Феодосия Печерского Мстислава и Ольги Александра Невского. Автором первых русских житийных произведений о Борисе и Глебе о Феодосии Печерском был монах Нестор один из составителей Повести Временных лет. Особой любовью у русских людей пользовался сложившийся в XII XIV вв.
85318. Художественно-эстетические аспекты народной художественной культуры 40.37 KB
  Гранина: Зачем нужно искусство речь шла о первобытном искусстве заметил что скорее всего изображения в пещерах создавались не ради самих изображений искусство ради искусства не ради того чтобы изобразить цель охоты а изображали то что боялись[301]. То есть искусство боролось уже не только со смертью но и с бесформенностью с бессодержательностью мира. Лихачева о том что искусство борется даже не с хаосом так как хаос в какойто мере форма существования мира а с хаотичностью[310]. Искусство стремится ввести восприятие в русло...
85319. Многообразие и самобытность традиций художественных культур народов России 32.27 KB
  Естественно что преимущественно можно наблюдать разнообразие народных культур. Но вместе с тем можно говорить и о единстве нородных культур России.Соответственно люди перенимают полностью или частично у друг друга некоторые традиции обычаи и другие культурные особенности.
85320. Характеристика архаического и традиционного общества 38.79 KB
  АРХАИЧНОЕ ОБЩЕСТВО это общество выделившееся из природного мира на самых ранних фазах своего существования. Общество локально. Общество напоминает острова разбросанные в природном океане. Архаичное общество охватывает длительный период человеческой истории включающий в себя и самые ранние первобытные формы общественной жизни и более поздние с уже сложившимися властными и экономическими институтами: царскими династиями рабо и землевладением всем тем что подпадает под емкое хотя и географически неточное определение К.