Внешние и внутренние силы. Метод сечений

В процессе эксплуатации конструкции все ее элементы взаимодействуют либо друг с другом, либо с внешними элементами. При этом происходит воздействие одного тела на другое. Такое действие заменяют силой (нагрузкой). По способу приложения к элементам конструкции внешние силы разделяются на объемные и поверхностные. К объемным силам относятся силы, приложенные ко всем точкам тела, например вес тела или силы инерции. К поверхностным силам или нагрузкам относятся силы, приложенные к поверхности на некоторой его площади или длине, например действие вала на опору. Поверхностные нагрузки подразделяются на сосредоточенные и распределенные. По характеру действия силы разделяются на статические и динамические. Статические силы или нагрузки постепенно возрастают от нуля, а в дальнейшем действуют постоянно или изменяясь незначительно. Динамические нагрузки – силы, изменяющиеся с большой скоростью. Вследствие того, что такая нагрузка в момент ее приложения к элементу конструкции имеет большую скорость, она обладает запасом кинетической энергии. Динамические нагрузки могут быть ударными и внезапно приложенными.

Под действием внешних сил в твердом теле возникают внутренние силы, стремящиеся восстановить его первоначальные размеры и форму. Внутренние и внешние силы должны быть уравновешены, иначе произойдет разрушение тела. Для определения величины внутренних сил пользуются общим приемом, называемым методом сечений. Этот метод лежит в основе всех выводов сопротивления материалов касающихся внутренних сил.

Представим себе брус, нагруженный системой уравновешенных внешних сил. Требуется узнать величину внутренних сил в каком-либо сечении бруса, например в сечении 1-1.

Плоскостью, перпендикулярной к оси бруса, мысленно разрежем его по данному сечению и отбросим одну из частей (обычно ту к которой приложено больше сил). Для сохранения равновесия действие отделенной части на оставшуюся заменим внутренними силами, приложенными по всему сечению в каждой его точке. Таким образом, мы заменили внутренние силы внешними.

Используя законы механики все внутренние силы приводим к центру тяжести сечения бруса – точке О, в результате чего получаем главный вектор R и главный момент М. Главный вектор R – равнодействующая всех внутренних сил, главный момент М – момент, создаваемый всеми внутренними силами относительно центра тяжести. Далее разложим главный вектор и главный момент по координатным осям, с началом в точке О. Изобразим на четырех чертежах составляющие главного вектора N_z, Q_x, Q_y, и три составляющие вектора момента M_x, M_y, M_z. Таким образом получены шесть силовых факторов, которые имеют следующие названия:

N_z – продольная сила;

Q_x, Q_y – поперечные силы;

M_x, M_y – изгибающие моменты;

M_z – крутящий момент.

Полученные силовые факторы называют внутренними силовыми факторами, их выражают через заданные нагрузки, для чего рассматривают уравнения статики исходя из условия равновесия оставшейся части бруса.