СИЛА СДВИГА: ПОВЕРХНОСТНЫЕ И МАССОВЫЕ СИЛЫ - ФИЗИЧЕСКИЙ - 2025

Усилие сдвига представляет собой соединение , сила , которая характеризуется тем , что параллельна поверхности , на которой она оказываемая и стремится разделить тело, вытесняя секции , вытекающие из разреза.

Это схематично представлено на рисунке 1, на котором показано усилие резания, приложенное к двум разным точкам деревянного карандаша. Сила сдвига, в свою очередь, требует двух параллельных и противоположных сил, которые в зависимости от их интенсивности способны деформировать карандаш или окончательно сломать его.

Рис. 1. Сила сдвига, приложенная руками, приводит к поломке карандаша. Источник: Pixabay.

Итак, даже если мы говорим о поперечной силе в единственном числе, на самом деле действуют две силы, поскольку поперечная сила является составной силой. Эти силы состоят из двух сил (или больше, в сложных случаях), приложенных к разным точкам объекта.

Две силы одинаковой величины и противоположного направления, но с параллельными линиями действия составляют пару сил. Пары не обеспечивают перемещения объектам, поскольку их результат равен нулю, но они обеспечивают чистый крутящий момент.

С парой такие объекты, как рулевое колесо транспортного средства, вращаются, или они могут быть деформированы и сломаны, как в случае карандаша и деревянной доски, показанных на рисунке 2.

Рис. 2. Сила сдвига делит деревянный брус на две части. Обратите внимание, что силы касаются поперечного сечения бревна. Источник: Ф. Сапата.

Поверхностные силы и массовые силы

Сложные силы являются частью так называемых поверхностных сил именно потому, что они действуют на поверхность тел и никак не связаны с их массой. Чтобы прояснить суть вопроса, давайте сравним эти две силы, которые часто действуют на объекты: вес и силу трения.

Величина веса P = mg, и поскольку она зависит от массы тела, это не поверхностная сила. Это массовая сила, и вес является наиболее характерным примером.

Трение зависит от природы контактных поверхностей, а не от массы тела, на которое оно действует, поэтому это хороший пример часто возникающих поверхностных сил.

Простые силы и составные силы

Поверхностные силы могут быть простыми или сложными. Мы уже видели пример составной силы в поперечной силе, и, в свою очередь, трение представлено как простая сила, поскольку одной стрелки достаточно, чтобы представить ее на диаграмме изолированного тела объекта.

Простые силы ответственны за отображение изменений в движении тела, например, мы знаем, что кинетическая сила трения между движущимся объектом и поверхностью, по которой он движется, приводит к снижению скорости.

Напротив, сложные силы имеют тенденцию деформировать тела, и в случае ножниц или ножниц конечным результатом может быть порез. Другие поверхностные силы, такие как растяжение или сжатие, удлиняют или сжимают тело, на которое они действуют.

Каждый раз, когда помидор разрезается для приготовления соуса или ножницы используются для разрезания листа бумаги, применяются описанные принципы. Режущие инструменты обычно имеют два острых металлических лезвия для приложения силы сдвига к поперечному сечению рубимого объекта.

Рис. 3. Сила сдвига в действии: одна из сил прилагается лезвием ножа, другая - нормальная сила, действующая на разделочную доску. Источник: Фото еды, созданное katemangostar - freepik.es

Напряжение сдвига

Эффекты силы сдвига зависят от величины силы и площади, на которую она действует, поэтому в технике широко используется концепция напряжения сдвига, которая учитывает как силу, так и площадь.

Это напряжение имеет другие значения, такие как напряжение сдвига или напряжение сдвига, и в строительных конструкциях его чрезвычайно важно учитывать, поскольку многие разрушения конструкций происходят из-за действия сил сдвига.

Его полезность сразу становится понятна при рассмотрении следующей ситуации: предположим, у вас есть два стержня из одного и того же материала, но разной толщины, на которые действуют все возрастающие силы, пока они не сломаются.

Очевидно, что для разрушения более толстого стержня необходимо приложить большее усилие, однако усилие одинаково для любого стержня того же состава. Подобные испытания часто проводятся в инженерии, учитывая важность выбора правильного материала для оптимального функционирования проектируемой конструкции.

Стресс и напряжение

Математически, если мы обозначим напряжение сдвига как τ, величину приложенной силы как F, а площадь, на которой оно действует как A, мы получим среднее напряжение сдвига:

Будучи соотношением силы и площади, единицей усилия в Международной системе является ньютон / м ² , называемое Паскалем и сокращенно Па. В английской системе фунт-сила / фут ² и фунт-сила / дюйм ² .

Во многих случаях объект, подвергающийся действию напряжения сдвига, деформируется, а затем восстанавливает свою первоначальную форму без фактического разрушения после того, как напряжение перестает действовать. Предположим, что деформация состоит из изменения длины.

В этом случае напряжение и деформация пропорциональны, поэтому можно учитывать следующее:

Символ ∝ означает «пропорциональный», а что касается единичной деформации, он определяется как отношение между изменением длины, которое будет называться ΔL, и исходной длиной, называемой L _o . В этом случае:

Модуль сдвига

Являясь частным между двумя длинами, деформация не имеет единиц, но при размещении символа равенства их должна обеспечивать константа пропорциональности. Вызов G к указанной константе:

G называется модулем сдвига или модулем сдвига. Он имеет единицы Паскаля в Международной системе, и его ценность зависит от природы материала. Такие значения могут быть определены в лаборатории, испытав действие различных сил на образцы различного состава.

Когда требуется определить величину поперечной силы из предыдущего уравнения, просто замените определение напряжения:

Силы сдвига очень часты, и их влияние необходимо принимать во внимание во многих аспектах науки и техники. В конструкциях они появляются в точках опоры балок, они могут возникнуть во время аварии и сломать кость, а их присутствие способно изменить работу механизмов.

Они действуют в больших масштабах на земную кору, вызывая трещины горных пород и геологические катастрофы из-за тектонической активности. Поэтому они также несут ответственность за постоянное формирование планеты.

Ссылки

1. Бир, Ф. 2010. Механика материалов. Пятые. Издание. Макгроу Хилл. 7 - 9.
2. Фитцджеральд, 1996. Механика материалов. Альфа Омега. 21-23.
3. Джанколи, Д. 2006. Физика: принципы с приложениями. 6 ^{т е} изд. Prentice Hall. 238-242.
4. Hibbeler, RC 2006. Механика материалов. Шестой. Издание. Pearson Education. 22-25
5. Валера Негрете, Дж. 2005. Заметки по общей физике. НАУ. 87-98.
6. Wikipedia. Напряжение сдвига. Получено с: en.wikipedia.org.