Легко представить себе как груз растягивает, например, веревку. Но каким образом веревка может создать необходимую для противодействия грузу внутреннюю силу?

Дело в том, что под действием внешней нагрузки любое реальное твердое тело изменяет свои первоначальные размеры и форму,или деформируется. Например, если Вы, уважаемый Читатель, наступите на обычный строительный кирпич, то под действием Вашего веса его высота уменьшится примерно на 1/20000 см.

Именно деформация(пусть даже очень маленькая, как в приведенном выше примере) и позволяет твердому телу создать те внутренние силы, которые способны противодействовать внешней нагрузке и соответственно его разрушению (см. также ответ на вопрос 1.10).

Когда мы к концу веревки подвешиваем груз, веревка удлиняется. Это удлинение, в свою очередь, приводит к возникновению внутри веревки результирующей внутренней силы, которая «тянет» камень вверх, удерживая его от падения (действие и противодействие, как известно, равны по величине и противоположны по направлению).

Если внутренняя сила, обусловленная удлинением веревки, не сможет уравновесить вес груза, то веревка порвется.

Важно осознать, что деформация конструкции вовсе не является каким-то дефектом (если она, конечно, не слишком велика с точки зрения цели, которой служит эта конструкция). Наоборот, деформация является тем важным свойством конструкции, без которого она не смогла бы противодействовать внешней нагрузке.

1.4. Какая деформация называется упругой?

Предположим, что тело не разрушилось под действием внешней нагрузки. Будем теперь уменьшать нагрузку до нуля. При этом, благодаря внутренним силам, будет уменьшаться и деформация тела. Способность материала восстанавливать первоначальные размеры и форму после снятия нагрузки называется упругостью. Та часть деформации, которая исчезает при разгрузке, называется упругой деформацией. Тело называется абсолютно упругим, если оно полностью восстанавливает свои размеры и форму после снятия нагрузки.

1.5. А какая деформация называется пластической?

Та часть деформации, которая не исчезает при разгрузке, называется пластической, а способность материала сохранять деформацию – пластичностью. Пластическая деформация называется также остаточной деформацией.

Как правило, возникновение пластических деформаций связано с нарушением нормальной работы инженерной конструкции и поэтому их появление считается недопустимым.

Если же мы хотим придать твердому телу желательную для различных целей форму, например, при прокатке, ковке, штамповке и т. п., то без возникновения пластической деформации нам не обойтись.

1.6. Что называется расчетной схемой?

Расчет любой реальной конструкции начинается с выбора расчетной схемы. Она представляет собой упрощенную, идеализированную схему, которая отражает наиболее существенные особенности объекта, определяющие его поведение под действием внешней нагрузки. Выбор расчетной схемы начинается со схематизации свойств материала и характера деформирования твердого тела. Вторым шагом является схематизация геометрической формы реального объекта.

Формы элементов конструкций можно свести к следующим категориям: стержень, оболочка, пластина и массивное тело.

Стержень – это твердое тело, у которого один размер (длина) значительно (раз в десять) превышает два других его размера.

Представим себе некоторую плоскую фигуру, перемещающуюся в пространстве так, что центр тяжести этой фигуры все время остается на некоторой линии (прямой или кривой), а сама фигура остается перпендикулярной к этой линии. Описанная такой фигурой форма дает нам очертание стержня (прямолинейного или криволинейного). Линия, вдоль которой перемещается фигура, называется осью стержня, а сама фигура – его поперечным сечением.

Оболочка – это твердое тело, ограниченное двумя криволинейными поверхностями, у которого один размер (толщина) много меньше двух других размеров.

Пластина (или плита) – это тело, ограниченное двумя параллельными плоскостями.

Массивное тело – это такое твердое тело, у которого все три размера имеют один порядок.

В курсе сопротивления материалов, в основном, изучается напряженно-деформированное состояние призматическихстержней с прямолинейной осью. Оболочки, пластины и массивные тела, как правило, не могут быть рассчитаны методами сопротивления материалов.

1.7. Какие основные задачи решаются в сопротивлении материалов?

Первая задача – расчет конструкции на прочность.

Прочностью называется способность конструкции сопротивляться разрушению. При этом под нарушением прочности понимается не только разрушение конструкции в буквальном смысле этого слова, но и возникновение в ней больших пластических деформаций. Говоря о достаточной прочности конструкции, полагают, что прочность будет обеспечена не только при заданном значении внешней нагрузки, но и при некотором возможном ее увеличении, то есть конструкция должна иметь определенный запас прочности.

Вторая задача – расчет конструкции на жесткость.

Жесткостью называется способность конструкции сопротивляться деформированию. Иногда деформация конструкции, отвечающей условию прочности, может воспрепятствовать нормальной ее эксплуатации.

Пусть, например, прогиб нагруженного моста посредине составил 1/500 от длины его пролета l. При этом по нормам допускаемый прогиб не должен превышать l/800.В этом случае говорят, что мост является прочным, но жесткость его недостаточна.

Третья задача – расчет устойчивости конструкции.

Под устойчивостью понимают способность конструкции сохранять положение равновесия, отвечающее действующей на нее нагрузке. Иными словами, положение равновесия конструкции устойчиво в том случае, если, получив произвольное малое отклонение от этого положения равновесия, конструкция снова к нему возвращается после исчезновения причин, вызвавших это отклонение.

Проблема устойчивости возникает, например, при расчете длинного стержня на сжатие. Может случиться так, что при некоторой нагрузке, называемой критической, такой стержень, отвечающий и условию прочности, и условию жесткости, внезапно изогнется (потеряет устойчивость прямолинейной формы равновесия). Это может привести к неминуемой катастрофе всей конструкции, в состав которой входит данный стержень.

Таким образом, сопротивление материалов – это инженерная дисциплина, в которой даются теоретические основы расчета простейших элементов конструкции (стержней) на прочность, жесткость и устойчивость.