background image

 

METODY ENERGETYCZNE 

 

Energia spr ysta cia a odkszta calnego 

Rozpatrywane zagadnienia wytrzyma

ciowe sprowadza y si  do wyznaczenia odkszta ce  

wywo anych dzia aj cymi si ami okre lonymi za pomoc  odpowiednich zale no ci. 
Istniej  zagadnienia bardziej skomplikowane wymagaj ce wykorzystania znanych sposobów 
rachunkowych, np. ró niczkowania. 
Przy zastosowaniu nowych metod rozwi za  pos ugujemy si  energi  potencjaln  w cia ach 
odkszta calnych. Energia ta, jest równa pracy wykonanej przez si y dzia aj ce na dane cia o, 
zwana jest energi  spr yst  odkszta calnego cia a lub energi  odkszta cenia. 

Energia spr ysta E

s

 - energia potencjalna si  wewn trznych spr ysto ci. 

Zgodnie z zasad  energii (równo  przyrostu energii kinetycznej  E cia a oraz pracy si  
dzia aj cych na to cia o), wyra aj

 si y zewn trzne L jak i wewn trzne W 

W

L

E

 

 

 

 

 

 

 

(1) 

 

Dla uk adów b

cych w równowadze energia kinetyczna równa jest zeru. Je eli u yjemy 

podstawienia 

W

wówczas 

 

 

 

 

 

 

 

 

(2) 

 

Energia spr ysta cia a odkszta calnego b

cego w równowadze równa 

jest pracy si  zewn trznych dzia aj cych na to cia o. 

 
Proces obci enia si ami odbywa si  quasi-statycznie. W ka dej chwili obci enia zachowana 
jest równowaga mi dzy si ami zewn trznymi i wewn trznymi. Czas trwania takiego 
wyidealizowanego procesu jest niesko czony, a szybko  narastania odkszta ce  równa zeru, 
wówczas si y bezw adno ci s  pomijalnie ma e. 
 

Energia spr ysta pr ta rozci ganego ( ciskanego) 

 
Praca elementarnego odcinka pr ta - iloczyn si y wewn trznej N i przemieszczenia du jakie 
ona spowodowa a 
 

du

N

dL

 

 

 

EA

Fl

u

 

Si  wewn trzn  N w ka dym przekroju pr ta uwa

 b dziemy za sta  i równ  obci eniu 

zewn trznemu 

N=F

Podstawiaj c 

l

EA

u

F

 otrzymamy 

du

u

l

EA

d

  

 i po sca kowaniu 

u

du

u

l

EA

0

  

 

otrzymamy 

2

 

2

1

u

l

AE

   

 

 

 

 

 

(3) 

 

poniewa  

EA

Fl

u

, ostatecznie 

energia spr ysta

 dla pr ta rozci ganego wynosi (rys. 1) 

background image

EA

l

F

2

2

1

 

 

lub    

Fu

2

1

  

 

 

(4) 

 

 

Fu

2

1

 

 

Rys. 1. Energia spr

ysta pr ta rozci ganego 

 

 
W zagadnieniach u ywa si  

ciw  energi  spr yst   .

 Jest to 

energia

  jednostkowa 

odniesiona do 

jednostki obj to ci

 cia a odkszta calnego. Dla pr ta rozci ganego 

E

A

F

Al

EA

l

F

Al

2

2

2

2

1

1

2

1

   

 

 

 

(5) 

 

poniewa  

A

F

 i z prawa Hooke’a 

E

 w

ciw  energi  spr

yst  mo na wyrazi  

wzorami: 

E

A

F

2

2

 

2

1

 

2

1

  

E

2

  

2

1

 

2

  

2

1

E

 

 

(6) 

 

 

Energia spr ysta pr ta jednocze nie zginanego i rozci ganego 

 

Stan napr enia w pr cie jednocze nie zginanym i rozci ganym 

y

I

M

A

N

g

  

 

 

 

 

 

(7) 

 

W jednoosiowym stanie napr

enia 

ciwa energia spr ysta

 

E

2

  

2

1

,  a  energia 

spr

ysta 

elementarnego odcinka pr ta o obj to ci

 

dxdA

dV

 wynosi  

A

dA

dx

d

 

po podstawieniu odpowiednich wielko ci otrzymamy 

background image

 

 

A

g

dA

y

I

M

A

N

E

dx

d

2

2

1

 

A

g

A

g

A

dA

y

I

M

ydA

AI

NM

dA

A

N

E

dx

d

2

2

2

2

2

2

2

1

 

 

Uwzgl dniaj c,  e 

A

dA

A

I

dA

y

A

2

 oraz  e dla g ównych centralnych osi bezw adno ci 

0

A

ydA

 ostatecznie otrzymujemy  

EI

M

EA

N

dx

d

g

2

2

2

2

   

 

 

 

 

 

(8) 

 

 

Energia spr ysta

 sko czonego odcinka pr ta o 

ugo ci  l

 wynosi (ca kuj c powy sze 

równanie) 
 
 
 
 
 

I

M

A

N

E

l

EI

l

M

EA

l

N

dx

EI

M

dx

EA

N

g

g

l

g

l

2

2

2

2

0

2

0

2

2

2

2

2

2

  

 

(9) 

 

 

2

 

2

1

u

l

AE

 

 

Energia spr ysta jest jednorodn  kwadratow  funkcj  przemieszcze . 
Poniewa  jest kwadratowa to nie mo na do oblicze  energii spr ystej 
stosowa  zasady superpozycji. 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

background image

To zjawisko wyja niono na przyk adzie pr ta rozci ganego (rys. 2.). 
 

 

l 

 A 

 F 

l 

 A 

 F

1

 

 F

2

 

 a) 

 b) 

 

Rys. 2. 

 
 
Energi  pr ta a (rys. 2.a) 

 

Fu

V

a

2

1

                   

EA

Fl

u

                    

EA

l

F

V

a

2

2

1

 

 
Energi  pr ta b (rys. 2.b) 
 

 

EA

l

F

F

EA

l

F

EA

l

F

EA

l

F

F

V

a

2

1

2

2

2

1

2

2

1

2

2

2

1

 

 
Energi  spr

yst  mo na równie  wyznaczy  jako 

prac  si  wewn trznych

któr  dla przypadków prostych (rozci ganie, zginanie,  cinanie, skr canie) 
podano w zestawieniu. 
 

Rozci ganie,  ciskanie 

dx

EA

N

V

EA

N

dx

dV

2

2

1

2

2

 

background image

 

10 

Zginanie

 

 

 

 

 

dx

EI

Mg

V

EI

Mg

dx

dV

2

2

1

2

2

 

cinanie    

dx

GA

T

V

GA

T

dx

dV

2

2

1

2

2

 

Skr canie

 

 

 

 

dx

GI

Ms

V

GI

Ms

dx

dV

0

2

0

2

2

2

1

 

 
 

Energia spr ysta jednostki d ugo ci pr ta równa jest po owie ilorazu  

kwadratu si y wewn trznej podzielonej przez odpowiedni  sztywno . 

 
 
 

 

Uk ady liniowo spr yste Clapeyrona 

 
Aby rozwa aniom nada  ogólny charakter dotycz cy wszelkich przypadków obci

wprowadzono poj cie 

si y uogólnionej

 

F

, przez któr  nale y rozumie  dowolne obci enia 

dzia aj ce na dane cia o: 

si a skupiona

, para si  o momencie 

M

s

 lub 

M

g

, obci enie ci

q

Wspó rz dna uogólnion  f

 – przemieszczenie odpowiadaj ce sile uogólnionej 

F

Przy rozci ganiu – sile uogólnionej 

F

 odpowiada wspó rz dna uogólniona wyd

enia 

u

przy skr caniu 

M

s

 odpowiada k t skr cenia  , 

przy zginaniu 

M

g

 odpowiada k t obrotu  . 

Je eli przemieszczenie 

u

 dowolnego punktu uk adu wywo ane zrównowa onym dzia aniem 

si  F

1

, F

2

, ...., F

n

 mo na wyrazi  jako funkcj  liniow  tych si   

 

n

n

k

k

F

F

F

F

u

...

...

2

2

1

1

 

 

to uk ad taki nazywa si  uk adem liniowo-spr ystym lub uk adem 

Clapeyrona

Dla uk adu liniowo-spr

ystego mamy: 

 

 

n

nn

j

nj

n

n

n

n

n

j

j

n

n

j

j

F

F

F

F

u

F

F

F

F

u

F

F

F

F

u

...

...

.....

..........

..........

..........

..........

..........

.....

..........

..........

..........

..........

..........

...

...

...

...

2

2

1

1

2

2

2

22

1

21

2

1

1

2

12

1

11

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 (10) 

 

n

j

j

ij

i

F

u

1

 

 

j

ij

i

F

u

 

 

background image

11 

gdzie: 
- przemieszczenia uogólnione; 
- si a uogólniona; 

-liczba wp ywowa. 

 
 

Liczby wp ywowe

 - przemieszczenie wywo ane odpowiednimi si ami o warto  1, czyli 

przemieszczenie jednostkowe. 
 

sila

 

uogólniona

zenie

przemieszc

 

uogólnione

 

gdzie: 

1

N

m

 

- si a - si a skupiona [N], przemieszczenie - przesuni cie [m]; 

1

-1

N

m

  - si a – moment si y [m N], przemieszczenie - obrót w mierze  ukowej itd. 

 
Oznaczmy: 

D

 - macierz liczb wp ywowych, 

F

 i 

U

 odpowiednie macierze jednokolumnowe si  i przemieszcze . 

Stosuj c  wprowadzone oznaczenia  mo na  przedstawi  zale no  (10)  w zapisie 
macierzowym. 
 

 

k

nn

n

n

n

n

n

k

F

F

F

u

u

u

2

1

2

1

3

32

31

2

22

21

1

12

11

2

1

 

 

=

 

   

U=DF 

 

 

     

macierz podatno ci 

 
Okre laj c 

obci enia

 (zmienna niezale na), wówczas si y 

F

i

 wyra amy przez odpowiadaj ce 

im przemieszczenia 

u

k

 

 

 

n

nn

i

ni

n

n

n

n

n

i

i

n

n

i

i

u

k

u

k

u

k

u

k

F

u

k

u

k

u

k

u

k

F

u

k

u

k

u

k

u

k

F

...

...

.....

..........

..........

..........

..........

..........

.....

..........

..........

..........

..........

..........

...

...

...

...

2

2

1

1

2

2

2

22

1

21

2

1

1

2

12

1

11

1

   

 

 

 

 

 

(11) 

 

n

j

j

ij

i

u

k

F

1

 

 

j

ij

i

u

k

F

 

 
gdzie: 
 

- przemieszczenia uogólnione; 

 

- si a uogólniona; 

 

k

 - wspó czynnik okre laj cy wp yw przemieszczenia 

u

k

 na warto  si y 

F

i

 

background image

 

12 

K

 macierz wspó czynników k

F

 i 

U

 odpowiednie macierze jednokolumnowe si  i przemieszcze . 

Zale no  (1.11) w zapisie macierzowym. 
 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

k

nn

n

n

n

n

n

k

u

u

u

k

k

k

k

k

k

k

k

k

k

k

k

F

F

F

2

1

2

1

3

32

31

2

22

21

1

12

11

2

1

 

 

=

 

   

F=KU 

 

 

      

macierz sztywno ci 

 
Macierz 

K

 jest macierz  odwrotn  macierzy 

D (K=D

-1

).

 

 
 

Twierdzenie Castigliano 

 
Uk ad Clapeyrona obci ony si ami F

1

F

2

F

3

,………….. F

n

Energia spr

ysta  w belce 

 

)

...

..

(

2

1

2

1

1

1

3

3

2

2

1

1

f

F

f

F

f

F

f

F

f

F

Ff

V

i

i

    (12)

 

 

 

 

Rys. 4. Zobrazowanie twierdzenia Castigliano 

 
Dodajemy  sile 

F

i

  pewien  przyrost 

F

i

.  Nast pi  

przyrost energii spr ystej

  belki 

spowodowany przyrostem si y. 
Przyrost  energii  V  spowodowany  przyrostem 

F

i

 

zmiennej

  F

i

 

jest  równy  iloczynowi 

pochodnej cz stkowej 

V/ P

i

 przez ten przyrost 

F

i

Energia spr

ysta belki (rys. 4b) wynosi 

 

background image

13 

i

i

F

F

V

V

V

1

 

 

 

 

 

 

 

(13) 

 
Taki sam (ko cowy) stan obci

 i odkszta ce  belki (rys. 4b) mo na osi gn  przyk adaj c 

si y w innej kolejno ci. 
Przyk adaj c najpierw do nieobci onej belki dowolnie ma  si  

F

i

 (rys. 4c) ,spowoduje ona 

ugi cie (przemieszczenie uogólnione) 

f

i

Praca statycznie przy

onej si y 

F

i

 na przemieszczeniu 

f

i

 jest równa energii spr ystej 

nagromadzonej w belce i wynosi 

)

(

2

1

i

i

f

F

V

 

 

 

 

 

 

 

 

(14) 

Nast pnie do belki obci onej si  

F

i

 

przy

ono zasadniczy uk ad obci

 jak na rys. 4a. 

Zgodnie z zasad  superpozycji praca wykonana przez te si y w czasie takiego obci enia 
wyrazi si  zale no ci  (12), ponadto si a 

F

i

  wykona  w  tym  samym  czasie  prac  

L

  na 

przemieszczeniu 

f

i

. Praca ta wynosi (bez mno nika ½) 

 

i

i

f

F

L

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(15) 

 
poniewa  w czasie przemieszczenia si  punktu przy

enia si y 

F

i

  ca a  warto   si y  

F

i

 

wykonywa a prac . 
Energia spr

ysta nagromadzona w belce przedstawionej na rys. 4d wynosi 

 

i

i

i

i

f

F

V

f

F

L

V

V

V

)

(

2

1

2

 

 

 

 

(16) 

 
Ko cowy stan obci

 i odkszta ce  belki jest dla obu tych sposobów (kolejno ci) 

przyk adania si  jednakowy (rys. 4b i d). 
Energie spr

yste odpowiadaj ce tym stanom s  jednakowe tz. V

1

=V

2

Porównuj c wyra enia (13) i (16) uzyskano 
 

i

i

i

i

i

i

f

F

V

f

F

F

F

V

V

)

(

2

1

  

 

 

 

(17) 

 
Wyra enie w nawiasie b

ce iloczynem dwóch wielko ci ma ych jest ma  wy szego 

(drugiego) rz du, dlatego mo na go odrzuci  

)

0

(

i

i

f

F

. Tak wi c 

 

i

i

i

i

i

i

f

F

V

f

F

F

F

V

 

 
 

i

i

f

F

V

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(18) 

 
 
Zale no  (18) zwana jest 

twierdzeniem Castigliana

Pochodna cz stkowa energii spr ystej uk adu wzgl dem si y uogólnionej jest równa 
wspó rz dnej uogólnionej odpowiadaj cej tej sile. 

background image

 

14 

 
 

Zastosowanie twierdzenia Castigliano. 

 
Przyk ad pr ta (belki) poddanego zginaniu. 
Energia spr

ysta w takim pr cie wyra ona jest zale no ci  wcze niej podan   

 

l

g

dx

M

EJ

V

0

2

2

1

 

 

 

 

 

 

 

 

(19)

 

 
Wykorzystuj c twierdzenie Castigliano, nie jest potrzebne wyra enie na energi , lecz 
pochodna cz stkowa tej energii wzgl dem si y uogólnionej 

F

i

. Ró niczkuj c zale no  (19) 

uzyskano 
 

l

i

l

i

i

i

dx

EI

Mg

Mg

F

dx

EI

Mg

F

F

V

f

0

0

2

2

  

2

  

 

l

i

i

i

dx

F

Mg

Mg

Mg

F

Mg

EI

f

0

2

1

  

 

Ostatecznie: 
 

l

g

g

dx

F

M

M

EJ

F

V

f

0

1

 

 

 

 

 

 

 

 

(20) 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

background image

15 

TWIERDZENIE MENABREA 

 

Statycznie wyznaczalny uk ad Clapeyrona – belka spoczywaj

 na dwóch podporach i 

obci ona si  P. Dla belki tej mo na wyznaczy  reakcje podporowe 

`
A

 oraz 

`

B

. Obliczy  

energi  spr

yst  i stosuj c twierdzenie Castigliano wyznaczy  strza

 ugi cia f

C

 pod si  

P oraz strza

 ugi cia f

D

 w przekroju D belki. 

 

Rys. Wyprowadzenie twierdzenia Menabrea 

W punkcie D przy

ono dodatkowa si  X = 0 (stan 1). 

Ta sama belka zamiast si  P obci ona jest si  X przy

on  w przekroju D  (stan  2).  Dla  

takiego obci enia równie  wyznaczono reakcje podporowe 

``
A

 oraz 

``

B

, obliczono energi  

spr

yst   V

`` 

belki. Stosuj c twierdzenie Castigliano obliczono strza

 ugi cia 

``

C

f

  w 

przekroju C oraz strza

 ugi cia 

``

D

 w przekroju D belki. 

Stosuj c metod  superpozycji i nak adaj c na siebie oba rozpatrywane stany obci

wówczas energia ca kowita uk adu  V b dzie funkcj  si  P  oraz  X, strza ki za  ugi cia 

przekrojów  C  i  D - zgodnie z twierdzeniem Castigliano – wyra

 si  jako pochodne 

cz stkowe energii V, a wi c 

P

V

f

C

 oraz 

X

V

f

D

. Nie ma  adnej ró nicy mi dzy si  P a  

si  X, obie te wielko ci s  od siebie niezale ne. 

background image

 

16 

Nast pnie dobrano tak si  X, aby ugi cie przekroju D by o równe zeru (f

D

 = 0), co wyst puje 

wówczas, gdy w przekroju tym da si  podpor  (rys. c). Uzyska si  wówczas uk ad, w którym 

statycznie  niewyznaczaln   reakcj   X wyznaczy   mo na z podanej wy ej zale no ci 

wynikaj cej z twierdzenia Castigliano: 

0

X

V

f

D

 

 

Otrzymany rezultat 

0

X

V

 

twierdzenie Menabrea. 

Pochodna  cz stkowa energii  spr ystej  uk adu  wzgl dem  reakcji  statycznie 
niewyznaczalnej jest równa zeru.
 

Dla belki spoczywaj cej na trzech podporach, obci onej si  P (rys. c) powy szy wzór 

pozwala obliczy  statycznie niewyznaczaln  reakcj  na podporze D. Gdyby belka mia a 

wi cej podpór statycznie niewyznaczalnych, to dla ka dej takiej podpory mo na napisa  

warunek powy szy. Ile zatem reakcji statycznie niewyznaczalnych wyst puje w uk adzie, tyle 

dodatkowych równa   typu 

0

X

V

, mo na napisa  i tym samym wyznaczy  wszystkie 

reakcje uk adu. 

Zale no  typu 

0

X

V

 ma dodatkow  interpretacj  fizyczn . Pochodna funkcji jest równa 

zeru wówczas, gdy funkcja osi ga warto  ekstremaln  (max, min lub punkt przegi cia o 

stycznej poziomej na wykresie tej funkcji). Tak wi c, gdy pochodna okre ona zale no cia 

Menabrea jest równa zero, to energia spr zysta belki (uk adu) osiaga minimum. Belka (ustrój) 

przybiera taki kszta t pod dzia aniem obci enia,  e energia spr

ysta belki osi ga minimum. 

Wyra enie 

0

X

V

 zwane jest 

zasad  najmniejszej pracy Menabrea 

lub

 zasad  minimum 

energii. 

Dla przypadku gdy energia spr

ysta uk adu pochodzi g ównie od zginania, twierdzenie 

Menabrea mo na wyrazi  zale no ci  (dla belki o sta ej sztywno ci EJ=const) 

;

0

1

0

dx

X

M

M

EJ

X

V

l

g

g

 

St d 

.

0

0

dx

X

M

M

l

g

g