plik


ÿþAdam Bodnar: WytrzymaBo[ MateriaBów. Energia spr|ysta 8. ENERGIA SPR{YSTA 8.1. Podstawowe pojcia Ka|de ciaBo rzeczywiste pod dziaBaniem siB zewntrznych doznaje deformacji, na których siBy obci|ajce wykonuj pewn prac L. Praca ta w przypadku adiabatycznego procesu termodynamicznego jest niezale|na od sposobu jej wykonania i równa si energii wewntrznej ukBadu W, tj. funkcji, której przyrost w czasie " t jest równy pracy dostarczonej ukBadowi w tym czasie: L = W . Powy|sza równo[ wynika z I prawa termodynamiki dla procesów adiabatycznych, tzn. takich przy których nie ma wymiany ciepBa z otoczeniem albo, inaczej, takich, |e nie zachodzi dyssypacja energii ukBadu, co jest charakterystyczn cech ukBadu spr|ystego. Mo|na dowie[, |e w przypadku ciaBa spr|ystego i obci|eD statycznych energia wewntrzna ukBadu jest równa energii potencjalnej Wp, która równa si pracy siB wewntrznych na odksztaBceniach przez nie wywoBanych i nazywana jest energi spr|yst ukBadu U: L = W = Wp = U . Zatem: energia spr|ysta U to praca siB wewntrznych na odksztaBceniach przez nie wywoBanych. Energia ta jest odwracalna, co znaczy, |e po usuniciu siB obci|ajcych zu|ywa si na odzyskanie pocztkowej konfiguracji ciaBa i w nie napr|onym i nie odksztaBconym stanie ukBadu jest równa zeru . Gsto[ci energii spr|ystej ¦ lub, inaczej, energi spr|yst wBa[ciw nazywamy ilo[ energii spr|ystej na jednostk objto[ci ciaBa. Std: U = ¦ dV , (8.1) +"+"+" V gdzie: V jest objto[ci ciaBa. Dalej dla prostoty wzorów, Batwo[ci wyprowadzeD i zapisów, wprowadzimy wskaznikowy zapis napr|eD i odksztaBceD. Jego istot pokazuj macierze napr|eD i odksztaBceD ni|ej zapisane w zapisie klasycznym i wskaznikowym: ukBad wspóBrzdnych (X, Y, Z) ukBad wspóBrzdnych (X1 , X2 , X3) Ã11 Ã12 Ã13 ëø öø ëø öø ìøà x Ä xy Ä xz ÷ø ìø ÷ø Tà = ìøÄ Ã Ä ÷ø , Tà =ìøà à à , ÷ø yx y yz 21 22 23 ìøÄ Ä Ã ÷ø ìøà à à ÷ø ìø ÷ø zx zy z íø øø íø 31 32 33 øø 1 1 ëø öø µ11 µ12 µ13 µ ³ ³ ëø öø x xy xz 2 2 ìø ÷ø ìø ÷ø 1 1 Tµ = ³ µ ³ , Tµ =ìøµ21 µ22 µ23 ÷ø . ìø ÷ø yx y yz 2 2 ìø ÷ø 1 1 ìøµ µ32 µ33 ÷ø ³ ³ µ zx zy z íø 31 øø íø 2 2 øø 67 Adam Bodnar: WytrzymaBo[ MateriaBów. Energia spr|ysta Obliczmy ile wynosi ¦ dla ciaBa o objto[ci V znajdujcego si w równowadze pod dziaBaniem pewnego ukBadu siB zewntrznych. W wyniku obci|enia w ka|dym punkcie tego ciaBa powstaj stany napr|enia i odksztaBcenia charakteryzowane poprzez macierze Tà i Tµ . Wyznaczmy wpierw dowolnie maBy przyrost gsto[ci energii spr|ystej na dowolnie maBych przyrostach odksztaBceD: d¦ = Ã11 dµ11 + Ã12 dµ12 + ...+à dµ33 = à dµij . (8.2) 33 ij W równaniu (8.2) zastosowana zostaBa umowa sumacyjna Einsteina, która mówi, |e: je|eli w wyra|eniu wskaznikowym bdcym jednomianem wskazniki powtarzaj si, to nale|y dokona sumowania po powtarzajcych si wskaznikach do odpowiedniej wymiarowo[ci obiektu. I tak np.: aibi = a1b1 +a2b2 +a3b3 ; µii = µ11 + µ22 + µ33, i = 1, 2, 3. Równanie (8.2) mo|na, wykorzystujc pojcie iloczynu skalarnego (poprawniej mówic iloczynu diadycznego ze zw|eniem) tensorów, zapisa w bardzo prostej formie: d¦ = Tà dTµ (8.3) Iloczyn skalarny tensorów otrzymujemy dodajc do siebie iloczyny jednoimiennych elementów. Pozwala to zapisa gsto[ energii spr|ystej ¦ w postaci: Tµ ¦ = dTµ (8.4) à +"T 0 15.2. Energia spr|ysta ciaBa Hooke a Dla ciaBa liniowo spr|ystego zwizek fizyczny mo|emy zapisa w formie: Tà = DTµ (8.5) gdzie: D  macierz (tensor) wspóBczynników materiaBowych. Po podstawieniu (8.5) do (8.4) i wykonaniu caBkowania otrzymujemy: Tµ 1 1 ¦ = DTµ dTµ = DTµ2 = Tà Tµ (8.6) +" 2 2 0 Wzór (8.6) zapiszemy w innej postaci po dokonaniu rozkBadu macierzy (tensorów) napr|eD i odksztaBceD na sum odpowiednich aksjatorów i dewiatorów. Tà = Aà + Dà i Tµ = Aµ + Dµ (8.7) Przypomnimy, |e zwizki fizyczne midzy aksjatorami i dewiatorami napr|eD i odksztaBceD (wyprowadzili[my je formuBujc III posta prawa Hooke a) mo|na zapisa w formie zwykle nazywanej prawem zmiany objto[ci i prawem zmiany postaci: Aà = 3K Aµ oraz Dà = 2GDµ (8.8) 68 Adam Bodnar: WytrzymaBo[ MateriaBów. Energia spr|ysta E E gdzie: 3K = oraz 2G = to staBe materiaBowe. 1- 2½ 1 +½ Korzystajc ze wzorów (8.7) otrzymujemy: 1 1 1 ¦ = (Aà + Dà ) (Aµ + Dµ ) = Aà Aµ + Dà Dµ (8.9) 2 2 2 gdy| z bardzo Batwej analizy rachunkowej wynika, |e : Aà Dµ = 0 oraz Dà Aµ = 0 . Mo|emy zatem powiedzie, |e gsto[ energii spr|ystej stanowi sum ¦ = ¦V +¦ , (8.10) f gdzie: 1 ¦V = Aà Aµ - gsto[ energii spr|ystej zwizanej ze zmian objto[ci, (8.11) 2 1 ¦ = Dà Dµ - gsto[ energii spr|ystej zwizanej ze zmian postaci. (8.12) f 2 I analogicznie, energia spr|ysta ukBadu stanowi sum: U = UV + U , (8.13) f gdzie: UV = dV , (8.14) V +"¦ V jest energi odksztaBcenia objto[ciowego i przedstawia prac siB zewntrznych zu|yt na zmian jego objto[ci, a U = dV , (8.15) f f +"¦ V jest energi odksztaBcenia postaciowego i przedstawia prac siB zewntrznych zu|yt na zmian postaci ukBadu. Wzory na odpowiednie gsto[ci energii spr|ystej, wyra|one przez elementy macierzy napr|eD maj posta: 1- 2½ 2 ¦½ = (à + à + à ) (8.16) x y z 6E 1+½ 2 2 2 2 2 2 ¦ = [(à - à ) + (à - à ) + (à - à ) + 6(Ä +Ä +Ä )] (8.17) f x y y z z x xy yz zx 6E 1 2 2 2 2 2 2 ¦ = [à + à + à - 2½ (à à + à à + à à )+ 2(1+½ )(Ä +Ä +Ä )]. (8.18) x y z x y y z z x xy yz zx 2E Aatwo mo|na stwierdzi, |e pochodne gsto[ci energii spr|ystej po elementach macierzy napr|eD równaj si odpowiednim elementom macierzy odksztaBceD. Wyznaczymy przykBadowo: 69 Adam Bodnar: WytrzymaBo[ MateriaBów. Energia spr|ysta "¦ 1 1 = [2à - 2½(à - à )]= [à -½(à - à )]= µ , x y z x y z x "à 2E E x Ä "¦ 1 2(1+½ )Ä = = ³ . xy = [4(1+½ )Ä ]= xy xy xy "Ä 2E E G x Jest rzecz oczywist, |e korzystajc ze zwizków fizycznych Hooke a, mo|emy wyrazi gsto[ci energii spr|ystej tylko poprzez elementy macierzy odksztaBceD. Wówczas pochodne ¦ po elementach macierzy odksztaBceD s równe odpowiednim elementom macierzy napr|eD. 70

Wyszukiwarka

Podobne podstrony:
cwiczenie 4b Energia sprężysta
cwiczenie 4a Energia sprężysta i hipotezy wytężeniowe
Wykład 02 (część 06) energia potencjalna odkształcenia sprężystego
08 Niezawodność zasilania i jakość energii elektrycznej
08 Zasada zachowania energii (3)
GUS energia zrodla odnawialne 08

więcej podobnych podstron