Опыт на растяжение

Некоторые из опытов по сопромату проводили и вы, когда, например, сгибали металлическую проволоку или ветку. Стоит сказать, что и древесина, и металл являются одними из самых распространённых конструкционных материалов, так что если вы когда-то гнули проволоку или деревяшку ради любопытства, то можете смело называть себя начинающим прочнистом.

Сгибая сухой деревянный пруток (а только сухая древесина используется в строительстве), можно заметить, что, если слишком сильно согнуть его, он просто треснет (см. картинку).

Изгибая же железную проволоку, можно заметить, что её невозможно сломать в том виде, в каком сломался деревянный пруток. Из такой проволоки можно хоть узлы вязать, и она не сломается (см. картинку).

Исходя из этих опытов, назовём древесину хрупким материалом, а железо – пластичным.

Хотя деление на пластичные и хрупкие материалы очень условно, тем не менее, можно выделить материалы, имеющие явную хрупкость или явную пластичность.

К хрупким материалам относят камень, чугун, бетон, стекло и т.д.

Пластичные материалы - это малоуглеродистые стали, алюминий, медь, латунь и т.д.

Промежуточное положение занимают легированные стали, алюминиевые сплавы, бронзы и т.д.

Из этих опытов можно подметить ещё и то, что почти вплоть до разрушения деревянный пруток гнулся упруго. Это значит, что после снятия деформирующей силы, он возвращался в своё начальное положение.

Железо же действовало упруго только при ограниченной нагрузке; при больших нагрузках проволока сохраняла своё деформированное положение, лишь чуть-чуть возвращаясь назад.

Те деформации, которые исчезают после прекращения действия внешних сил, назовём упругими. Те деформации, которые не исчезают полностью после прекращения действия внешних сил, назовём неупругими, необратимыми или пластическими.

Важно также понять, что можно по-разному приложить деформирующую силу.

Рассмотрим случай доски, защемлённой в кирпичную стенку. К доске подвешивается груз. Однако есть несколько способов нагружения доски одним и тем же грузом:

  1. Можно плавно подвесить груз к доске
  2. А можно уронить этот же груз на эту доску с какой-то высоты

При этом результат будет различаться, и скорее всего будет так, что балка сломается от падающего груза, выдержав его в случае аккуратного подвешивания.

Назовём медленное, аккуратное подвешивание груза – статическим способом нагружения, а быстрое падение груза – динамическим способом нагружения (ударная нагрузка - только один из способов динамического нагружения).

И хотя приведённые ранее опыты с изгибом очень наглядны и доступны, но простейшими видами деформации являются растяжение и сжатие.

Сначала исследуем деформацию растяжения. Суть простейшего опыта на растяжение такова:

  • Берём стержень и крепим его одним концом к опоре
  • К другому концу начинаем подвешивать грузы известной массы
  • Для каждого груза фиксируем получившееся удлинение стержня
  • И так вплоть до разрушения
  • По получившейся таблице строим график, где на оси игрек отложим прикладываемый вес, а на оси икс отложим соответствующее удлинение стержня

Далее будет представлен видеоролик с опытом на растяжение. Подход, использованный там, будет несколько отличаться от описанного выше. В нём стержень будет крепиться к двум опорам, одна из которых является подвижной. Суть такого подхода в том, что подвижная опора начинает удаляться от другой на известное расстояние, а другая опора реагирует на это перемещение, фиксируя силу для каждого «предложенного» ей удлинения. В итоге строится график зависимости удлинения от приложенной силы.

Опыты с растяжением рекомендуется смотреть здесь:

В этом видеоролике будет показано два опыта с двумя разными металлическими образцами:

  • Первый образец - сталь
  • Второй образец - алюминиевый сплав

По результатам двух опытов были получены две диаграммы растяжения: для стального образца и для образца из алюминиевого сплава.

Образец из стали


Образец из алюминиевого сплава


Первое, на что хотелось бы обратить внимание – это сложность и нелинейность обеих диаграмм. Однако и у стали, и у алюминия начальные участки представляют из себя прямые (с некоторой долей допущения).

И хоть это не было показано в видео, но если бы мы нагружали образцы силами, которые бы попадали на эти линейные участки, то тогда бы деформации стержней были бы упругими, и стержни после разгрузки принимали бы свою форму до деформации. Такое совпадение линейных участков и упругих деформаций более-менее справедливо для большинства конструкционных металлов.


Помимо этого, можно также обратить внимание на то, что на этих прямых участках образцы воспринимают весьма значительную силу, вполне сопоставимую с максимально воспринятыми силами. А с учётом того, что деформации на этих прямых участках упругие, то логично желать, чтобы и материал в конструкциях также работал по этим прямым участкам.

Вдобавок к этому, линейные участки описываются функцией вида 𝑦=𝑘𝑥y=kx, что облегчит определение деформаций при растяжении.



Теперь давайте попробуем сжать проволоку. Скорее всего результат у всех будет одинаковый – проволока выпучится и просто погнётся. Почему так происходит? Скорее всего проволока была изначально кривой и вектор сжимающей нагрузки не совпадал с осью центров тяжести сечений проволоки, потому возник изгиб.

И вот мы берём ровную проволоку, сжимаем её и получаем тот же самый результат: её выпучивает, и она изгибается. Выходит, дело не в начальной кривизне, а в чём-то другом.

Пробуем взять более короткую проволоку, сжимаем и видим, что её гораздо труднее выпучить.

И только для очень-очень короткой проволоки можно добиться отсутствия выпучивания и проанализировать сопротивление материала проволоки сжимающей нагрузке и провести опыт, аналогичный опыту на растяжение.

Такое явление, как выпучивание сжатой проволоки, назовём потерей устойчивости. То есть при сжатии проволоки её прямолинейная форма становится неустойчивой.

Так как явление потери устойчивости проволоки тесно связано с её изгибом, для начала следует исследовать изгиб и только потом потерю устойчивости.

Что касается опытов на сжатие, то образцы для них принимаются короткими и толстыми, чтобы они не теряли устойчивости.

Опыты с осевым сжатием можно наблюдать в опытах по ссылкам ниже.