來源:力學趣話微信公眾號(ID:gh_d59f76b437f1),作者:周唯乾、劉嘉德。
"輕車輕徒,弓矢固御,是謂大軍;密靜多內力,是謂固陳。"
——《司馬法 · 定爵》
古人認為,兵力集中,軍心鎮定,士氣旺盛,這就是鞏固的陣勢。古人所說的內力是指人身體的力量。今天,我們這裡介紹的可不是武術練功那個內力,而是材料力學中的內力概念。
內力是指物體因受外力作用變形,其內部各部分間因相對位置運動改變而引起的相互作用。
而其他內力是指幾個物體組成的系統間的內力,如光滑水平面上兩物體中間放一壓縮彈簧,釋放後彈簧對兩物體的作用力,是這兩物體組成的系統的內力;太陽系內各星體間的相互作用力,是太陽系這個系統中的內力。
內力非常重要,同時也無處不在。內力與構件的強度、剛度、穩定性密切相關,所以研究構件的內力非常重要。設計各種各樣的東西都要考慮到內力,接下來請看兩個例子。
一名男子在河邊嘗試跳板跳水時,因身體過於壯碩在起跳時直接壓斷木質跳水板,整個人直接掉入水中,引得身邊的朋友發出陣陣大笑。
2015年6月19日3時許,粵贛高速公路河源段城南出口匝道橋發生斷裂事故,造成1人死亡4人受傷。
據了解,此橋設計承載為橋梁20級,其具體指標為:一輛載重55噸的車輛在橋面通行時,前後各允許一輛20噸的車輛通行,3車間距須大於10米。
事故現場先後有4輛大貨車掉落,因4輛大貨車嚴重超載,每輛貨車運載的瓷土重量達100噸左右。導致橋梁結構嚴重偏壓,最終造成橋梁傾覆垮塌。
以上兩個案例皆為應力(內力的集度——截面中某一微分單位面積裡的內力的密集程度)大於許用應力引起結構強度破壞,所以在設計時要充分考慮到構件材料的許用應力。在設計跳板時要考慮到什麼材料以及材料厚度能滿足跳水人員安全,道路也是如此,所以有些地方的道路會對車輛限重,就是這個原因。
既然要考慮到內力,那麼我們怎麼樣才能得到內力的大小呢,那麼接下來就是這篇文章最硬核的部分了。
截:在需求內力的截面處,沿該截面假想地把構件切開。
取:選取其中一部分為研究對象。
代:將截去部分對研究對象的作用,以截面上的未知內力來代替。
平:根據研究對象的平衡條件,建立平衡方程,以確定未知內力的大小和方向。
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