Техника твоими руками

Рабиза Флорентий Владимирович

ТАЙНА ПРОЧНОСТИ

Существует увлекательная наука, изучающая сопротивление материалов.

Увлекательная она потому, что раскрывает перед изучающими ее тайну прочности домов, башен, мостов, железнодорожных линий, различных машин, грандиозных плотин, туннелей, арок, самолетов, кораблей, подводных лодок и многого другого — всего не перечислишь.

Конечно, эта наука применяется не во всех случаях жизни. Например, когда строят небольшой пешеходный мостик, вряд ли кто делает его точный расчет. Берут материалы — балки и настил, достаточно прочные «на глаз», способные выдержать тех нескольких человек, которые могут одновременно пройти по такому мостику.

Другое дело, когда строится железнодорожный мост. Здесь надо подсчитать все возможные нагрузки, учесть все силы, какие могут действовать на готовый мост, вплоть до бокового давления ветра.

Но не только при постройке грандиозных сооружений нужно делать расчеты на прочность. Хорошо ли было бы, например, если поднятый за ручку стеклянный кувшин, наполненный водой, вдруг оторвался от ручки и разбился на мелкие куски?

Значит, при изготовлении кувшина надо было задуматься: а какой же толщины сделать ему ручку, чтобы получилось прочно, красиво и чтобы материал лишний не потратить.

Наука о сопротивлении материалов изучает все виды изгибов, поломок, разрывов, то есть все виды деформации, которые могут произойти с различными материалами, изучает способы расчетов, не допускающих появления этих деформаций.

На простых опытах мы познакомимся с теми случаями, когда прочность недостаточна и материалы не выдерживают нагрузок.

Но, прежде чем приступить к опытам, познакомимся с тем, что такое прочность.

Прочностью различных строительных материалов и деталей машин называют их способность противостоять воздействующим на них силам. Эта способность зависит и от того, хрупкий или эластичный взят материал, и от того, какой он толщины, длины, формы.

Все сложные деформации, то есть изменения первоначальной формы и размеров различных деталей, можно свести к некоторым простейшим видам деформаций.

Проделаем несколько опытов, которые помогут нам познакомиться с этими деформациями.

Растяжение

Сила в этом случае действует на деталь наружу, стремясь растянуть и разорвать ее. Например, когда вы едете в трамвае и держитесь за подвешенную ручку, она испытывает растяжение.

Палочка из пластилина, изображающая в нашем опыте балку с круглым сечением, при растяжении начинает утончаться и затем в наиболее тонком месте разрывается.

Сжатие

При сжатии сила направлена внутрь тела. Она стремится сдавить, смять его. Кубик, сделанный из пластилина, не выдержав чрезмерной нагрузки, расплющивается.

Срезывание

Когда действуют силы, стремящиеся переместить в разные стороны соседние участки тела, происходит деформация, называемая срезыванием или скалыванием.

Соедините заклепкой из пластилина или хлебного мякиша две линейки или дощечки с одинаковыми круглыми отверстиями. Затем сдвиньте линейки в разные стороны, и вы увидите, что пластилиновая заклепка срезана в том месте, где линейки соприкасались друг с другом.

Поперечный изгиб

Эта деформация может возникнуть у так называемых балок — деталей, имеющих длину значительно большую, чем их сечение. Сила в этом случае действует перпендикулярно к продольной оси балки.

Спичка в наших опытах будет миниатюрной балкой. Укрепленная на двух опорах, она при нажатии на ее середину ломается в месте нажима.

Спичка, закрепленная у одного своего конца, под действием силы ломается в месте крепления.

Излом происходит всегда в том месте, где больше так называемый изгибающий момент — произведение силы на плечо (расстояние от точки приложения силы до места крепления балки).

Продольный изгиб

При продольном изгибе сила действует вдоль оси балки, как и при сжатии.

Эту деформацию можно проследить, например, нажимая на линейку, поставленную вертикально. Пока сила незначительна, линейка выдерживает сжатие, а затем теряет устойчивость, сразу выгибается и может сломаться.

Кручение

Валы во время работы и болты, когда затягивают на них гайки, испытывают скручивающее усилие. Силы, вращающие детали, стремятся повернуть одно поперечное сечение относительно другого в параллельной плоскости.

Зажмите один конец пластилинового валика и вращайте его за другой. Вы убедитесь, что частицы валика, стремясь передвинуться под действием вращающей силы, не выдерживают дальнейшего перенапряжения, отрываются друг от друга, и валик ломается.

Когда конструируют машины, всегда учитывают, как направлены силы, действующие на их отдельные детали. Высчитывают величину этих сил и берут детали таких размеров, чтобы они могли выдержать все приложенные к ним нагрузки.

МЕТАЛЛ «УСТАЕТ»

На первый взгляд кажется странным, как это металл может вдруг устать. Но на самом деле это слово очень метко выражает то, что происходит с некоторыми деталями машин. Они во время работы подвергаются либо быстрой смене сжатия и растяжения, либо быстрым изгибам в разные стороны.

Вам часто приходилось, не имея под рукой нужных инструментов, ломать проволоку или забитый наполовину гвоздь, быстро сгибая их то в одну, то в другую сторону.

Выражаясь техническим языком, вы подвергали проволоку или гвоздь знакопеременной нагрузке, если считать, что сгибание в одну сторону — это «плюс», а сгибание в другую сторону — «минус».

Частицы металла в месте, наиболее подвергающемся такой быстрой смене нагрузок, расходятся, образуются «усталостные трещины», и затем происходит полное разрушение — разрыв.

В месте излома даже невооруженным глазом хорошо видно, что поверхность неровная, зернистая, видны крупинки металла.

Конструкторы хорошо знают, что металл может «уставать», и при конструировании машин либо стараются избежать таких знакопеременных нагрузок, либо, когда избежать этого никак нельзя, делают детали повышенной прочности.