Дифференциальное уравнение изогнутой оси балки при изгибе

Определено, что мерой деформации призматического стержня при прямом чистом изгибе является кривизна нейтрального слоя. Можно показать, что с достаточной для инженерных расчетов точностью этим тезисом можно пользоваться и в случае прямого поперечного изгиба стержня. Однако для практических целей кроме кривизны необходимо определить вертикальные перемещения центров тяжести отдельных поперечных сечений — прогибов балки v, а иногда и углы поворота этих сечений (рис. 1). Вследствие гипотезы плоских сечений угол поворота сечения ( оказывается равным углу наклона касательной к изогнутой оси балки, который в силу малости

(1)

Тогда возникает геометрическая задача: составить уравнение для функции прогиба , зная закон изменения ее кривизны.

Рис.1. Расчетная схема определения перемещений при изгибе

Воспользуемся известным из дифференциальной геометрии выражением для кривизны в прямоугольных декартовых координатах:

(2)

Однако, учитывая, что в инженерной практике применяются достаточно жесткие балки, для которых наибольший прогиб f (рис.1) мал по сравнению с длиной (f / l << 1), а первая производная от прогиба имеет порядок

и, следовательно, величиной (dv / dz)²<<1, стоящей в знаменателе (2), можно пренебречь, выражение для кривизны упрощается

(3)

Тогда, подставив это выражение в полученную ранее связку кривизны и изгибающего мометна — , условившись что ось Oy направлена вверх и согласовав знаки и М_х, приходим к дифференциальному уравнению прямого изгиба балки

(4)

известному также как дифференциальное уравнение упругой кривой.

Если учесть точное выражение для кривизны по формуле (2), то точное уравнение упругой кривой

является нелинейным дифференциальным уравнением. Поэтому линейное дифференциальное уравнение, описывающее малые прогибы балки, иногда называют линеаризованным уравнением упругой кривой.