Сопротивление материалов

Когда-то строители возводили несущие конструкции наугад, что порой имело катастрофические последствия. Сегодня знание сопротивления материалов позволяет строить экономичные и надежные сооружения.

У небоскреба и сплетенной пауком паутины много общего. В обоих случаях создается каркас из очень прочных материалов, обеспечивающий прочность всего сооружения. Каркас небоскреба состоит из стальных балок, а паутина плетется из еще более прочного материала - шелка. Это означает, что паучья нить может выдержать больший вес, чем стальная нить той же толщины.

Нагрузка

Подвешенный на проволоке груз создает направленную вниз силу относительно площади ее поперечного сечения. Величина приложенной силы, разделенная на площадь ее приложения, называется нагрузкой.

Больший груз создает большую направленную вниз силу, поэтому нагрузка на проволоку того же сечения будет больше. Величина нагрузки также будет большей, если равный груз подвешен на более тонкой проволоке, так как создаваемая им сила действует на меньшую площадь поперечного сечения. При сравнении сопротивления материалов важно знать, какую нагрузку они могут выдержать до момента остаточной деформации или разрыва.

Существует три вида напряжений, испытываемых материалами. Растягивающее усилие растягивает материал и возникает, например, при подвешивании к нему груза. Напряжение сжатия сдавливает материал (ножки стола под весом находящихся на нем предметов). Напряжение сдвига воздействует на материал и изгибает его (трамплин для прыжков в воду под весом стоящего на нем человека).

Относительная деформация

Это равномерная деформация, или изменение размеров материала под воздействием нагрузки. Предположим, что проволока длиной 4000 см растягивается на 2 см при подвешивании к ней груза. В этом случае относительная деформация представляет собой пропорциональное изменение длины и составляет 2 : 4000 = 0, 0005.

Упругость

Если постепенно увеличивать нагрузку на материал, начиная с нуля, то вначале возникшее напряжение растет пропорционально. Если убрать груз, материал вернется к своим первоначальным размерам. Это явление называется упругостью. Но если продолжать нагружать проволоку, то она, при достижении определенной величины нагрузки, уже не будет возвращаться к исходным размерам. Эта величина называется пределом упругости проволоки. В этом случае проволока подвергается действию пластической деформации и будет теперь постоянно удлиняться с увеличением нагрузки.

Дальнейшее увеличение нагрузки в конечном итоге приведет к разрыву материала. Пластичные материалы (например, медь) перед разрывом сильно деформируются, а хрупкие (скажем, чугун) при постепенном увеличении нагрузки в какой-то момент рвутся совершенно внезапно.

Бетон

Не всегда материалы одинаково хорошо выдерживают разные виды напряжений. Например, бетон имеет большую прочность на сжатие, но относительно малую прочность на растяжение. Поэтому бетон часто армируют стальными стержнями для увеличения его прочности на разрыв. Предварительно напряженный бетон - это улучшенный вид железобетона. Вначале стальные арматурные стержни подвергают растяжению, а затем заливают бетоном. После схватывания бетона стержни уже не испытывают растягивающего напряжения и стремятся восстановить свою начальную длину. Но это невозможно, так как они прочно вмурованы в бетон и вызывают в нем огромное сжимающее напряжение. При использовании данного материала, любые усилия, стремящиеся разорвать бетон, должны сначала преодолеть силы сжатия в стальных стержнях. Вот почему предварительно напряженный бетон обладает большой прочностью на разрыв и сжатие.

Для упрочения некоторых видов бетона применяют метод последующего напряжения с натяжением арматуры. Стальные стержни вставляют в отверстия в монолитных бетонных блоках и подвергают их растяжению. Как и в предыдущем случае, стержни создают в бетоне сильное сжимающее напряжение и придают ему большую прочность на разрыв.

Композиционные материалы

Такие материалы состоят из двух и более различных материалов, при этом конечный продукт обладает лучшими свойствами, чем любой из его компонентов. Во многих случаях таким путем добиваются повышения прочности. Примером композиционного материала может служить железобетон. На более низком уровне, тонкие волокна различных материалов с высокой прочностью на разрыв добавляют к материалам, способным выдерживать большие сжимающие нагрузки. Стекловолокно в сочетании с паутинным шелком обладает намного большей прочностью на разрыв, чем лучшие сорта стали. Но, к сожалению, малейшая поверхностная царапина приводит к образованию трещины даже при относительно малых нагрузках. Поэтому, чтобы использовать преимущества стекловолокна, его добавляют к эпоксидной и полиэфирной смоле, которая защищает волокна от царапин и сохраняет их высокую прочность на разрыв.

Углерод и керамика

Для этой цели используются волокна и других материалов, включая углерод (в виде графита), а также многие виды прочных, жестких керамических материалов, таких как карбид кремния, карбид бора и окись алюминия. Но не все материалы такого рода получают искусственным путем. Например, древесина - природный композиционный материал, состоящий из прочных гибких волокон целлюлозы, связываемых более твердым и хрупким веществом - лигнином.

Структура материалов

Прочность материала зависит от