Работа сил, приложенных к деформируемому телу

Работа упругой силы.Простейшей моделью деформируемого тела является обыкновенная пружина. Пусть ее левый конец закреплен, а правый – совпадает с началом системы координат Ox (рис. 3.4, а). Чтобы растянуть пружину с жесткостью cна длину x надо приложить внешнюю упругую силу P = cx, которая равна по модулю и направлена противоположно внутренней упругой силе пружины F_упр = - P (рис. 3.4, б).

Вообще, в механике упругой называется сила, модуль которой пропорционален величине смещения точки ее приложения.

В нашем случае работа упругой силы P будет равна:

A (P) = Pdx = cxdx = cx²/2 = Px/2.

Итак, работа упругой силы равна половине произведения максимального значения силы на величину вызванного ею перемещения:

A (P) = Px/2. (3.5)

Р

Fупр

Рис. 3.4

Отметим, что работа внешней упругой силы положительна, а работа внутренней упругой силы F_упр= - P отрицательна: A (F_упр) = - A (P).

В дальнейшем работу внутренних сил деформируемого тела будем обозначать буквой W, а букву A сохранимдля обозначения работы приложенных к нему внешних сил. При этом A = - W.

Работа сил при деформации упругого тела. Рассмотрим в качестве такого тела простую двухопорную балку с зафиксированными на ней точками i и j (рис. 3.5, а).

Рис. 3.5

Приложим в точке i упруго, или статически силу P_i – эти термины означают, что в процессе загружения балки сила изменяет свою величину от нуля до максимального значения, которому соответствует изогнутая ось балки, показанная на рис. 3.5, а пунктиром. Обозначим через D_ii и D_ji перемещения точек i и j , вызванные силой P_i.

Зафиксируем силу P_i и дополнительно приложим к балке в точке j – тоже статически – силу P_j. Под действием последней точка i получит дополнительное перемещение D_ij, а точка j – дополнительное перемещение D_jj (рис. 3.5, б).

Подсчитаем работу, совершенную этими силами при деформации балки:

A (P_i) =1/2 P_iD_ii+ P_iD_ij; (3.6)

A (P_j) =1/2 P_jD_jj. (3.7)

Отметим, что на первом этапе загружения сила P_i является упругой, а балка играет роль пружины, поэтому первое слагаемое в (3.6) вычисляется по формуле (3.5). На втором этапе загружения P_i = const и ее работа вычисляется по формуле (3.3).

Таким образом, работа постоянной силы P_i на перемещении D_ij , вызванном «чужой» силой P_j, вычисляется без коэффициента 1/2.

Примечания

1. При деформации балки точки, лежащие на ее оси, получают не только линейные перемещения D_i (совпадающие с прогибами v_i), но и угловые q_i, поэтому если вместо упругой силы P_i в этой точке приложить упругий момент M_i, формула (3.6) примет вид:

A(M_i) = 1/2M_iq_ii +M_iq_ij ,

где q_ii – угол поворота сечения в точке i, вызванного упругим моментом M_i, а q_ij – угол поворота сечения в точке i, вызванного силой P_j.

2. Напомним, что в общем случае перемещение всякой точки стержневой системы определяется тремя компонентами: u_i, v_i, q_i – смотри уравнения 1.11 в §1.3. Обозначение D_i , введенное в этом параграфе, являются традиционными в строительной механике и применяются как для линейных, так и для угловых перемещений. Таким обобщенным перемещениям D_i соответствуют обобщенные силы: обычные P для линейных перемещений и моменты M – для угловых. При этом произведение обобщенной силы на обобщенное перемещение имеет размерность работы.

3. Как известно из курса физики, работа, совершенная внешними силами при деформировании упругого тела, равна потенциальной энергии, приобретенной этим телом.