Напряжение в сопромате: нормальное σ и касательное τ

Коротко. Напряжение — внутренняя сила, приходящаяся на единицу площади сечения. Составляющая, перпендикулярная площадке, — нормальное напряжение σ; лежащая в её плоскости — касательное τ. Измеряют в паскалях, в задачах — в мегапаскалях, а мегапаскаль равен ньютону на квадратный миллиметр. При растяжении σ = N/A.

Продольная сила в стержне ничего не говорит о его прочности сама по себе: тонкая проволока рвётся от усилия, которое толстый пруток даже не заметит. Сравнивать с пределом материала нужно силу, делённую на площадь, — напряжение.

Поэтому все условия прочности в сопромате записаны через напряжения, а эпюры N, Q и M — только промежуточный шаг: по ним находят, где напряжение наибольшее.

Внутренние силы и напряжения — в чём разница

Продольная сила, поперечная сила и изгибающий момент — равнодействующие, приложенные к сечению целиком. Напряжение — интенсивность внутренних сил в точке: сила на маленькой площадке, делённая на её площадь.

Полное напряжение раскладывают на две составляющие, потому что материал сопротивляется им по-разному: отрыву волокон и их сдвигу.

Полное напряжение в точке
p=lim⁡ΔA→0ΔRΔA,p2=σ2+τ2p = \lim_{\Delta A \to 0} \frac{\Delta R}{\Delta A},\qquad p^2 = \sigma^2 + \tau^2

Нормальное напряжение при растяжении и сжатии

Вдали от мест приложения сил продольная сила распределена по сечению равномерно, и напряжение равно силе, делённой на площадь. Растягивающее принято считать положительным, сжимающее — отрицательным.

Наибольшее напряжение не обязательно там, где наибольшая сила: у ступенчатого бруса решает отношение N к A на каждом участке.

Растяжение-сжатие
σ=NA\sigma = \frac{N}{A}

Касательные напряжения: срез, кручение, изгиб

При срезе болта или заклёпки касательное напряжение считают условно равномерным: сила на площадь среза. При кручении вала оно растёт от центра к поверхности, при поперечном изгибе — от краёв к нейтральной оси.

Касательные напряжения парные: на двух взаимно перпендикулярных площадках они равны по величине. Поэтому сдвиг вдоль оси балки так же опасен, как сдвиг поперёк.

Срез и кручение
τ=QA,τ=Mк ρJp\tau = \frac{Q}{A},\qquad \tau = \frac{M_{\text{к}}\,\rho}{J_p}

Единицы: где теряют порядки

Паскаль — ньютон на квадратный метр, величина крошечная, поэтому в задачах пишут мегапаскали. Удобно считать силу в ньютонах, а площадь в квадратных миллиметрах: частное сразу выходит в мегапаскалях, без пересчёта.

Килоньютон на квадратный сантиметр, который встречается в старых задачниках, равен десяти мегапаскалям — на этом множителе чаще всего и ошибаются.

На числах

Ступенчатый брус из трёх участков: продольные силы 60,0 кН, −20,0 кН и 30,0 кН, площади 400 мм², 800 мм² и 600 мм². Напряжения на участках 150,0 МПа, −25,0 МПа и 50,0 МПа: опасен первый — у него наибольшее отношение N к A, и именно его сравнивают с допускаемым 160 МПа.

Сила на первом участке
60,0 кН
Площадь первого участка
400 мм²
Напряжение на первом участке
150,0 МПа
Напряжение на втором участке
−25,0 МПа
Допускаемое напряжение
160 МПа
Эпюры N и σ: скачки σ — там, где меняется площадь
Эпюры N и σ: скачки σ — там, где меняется площадь
Весь разбор целиком: Как построить эпюры N, σ и перемещений для ступенчатого бруса →

Где обычно ошибаются

  • Сравнивают с пределом силу, а не напряжение

    Сила говорит, как нагружен стержень, но не как нагружен материал. Прочность определяет напряжение — сила, делённая на площадь.

  • Смешивают килоньютоны и квадратные миллиметры

    Килоньютоны на квадратный миллиметр — это тысячи мегапаскалей. Переводите силу в ньютоны до деления.

  • Теряют знак сжатия

    Для стали знак почти не важен, а у чугуна и бетона допускаемые на растяжение и сжатие разные — и знак определяет, с каким сравнивать.

  • Считают касательное напряжение как нормальное

    τ = Q/A — только условная оценка для среза. При изгибе касательные напряжения распределены неравномерно, и их ищут по формуле Журавского.

Частые вопросы

В чём измеряется напряжение?

В паскалях, на практике — в мегапаскалях. Мегапаскаль равен ньютону на квадратный миллиметр: так его удобнее всего считать вручную.

Чем напряжение отличается от давления?

Единица та же, смысл разный: давление — внешняя нагрузка на поверхность, напряжение — внутренняя сила в материале. Напряжение бывает и растягивающим, давление — нет.

Что такое допускаемое напряжение?

Наибольшее напряжение, которое разрешено материалу в конструкции: предел текучести или прочности, делённый на коэффициент запаса.

Допускаемые напряжения →
Где найти формулы напряжений для всех видов нагружения?

Растяжение, сдвиг, кручение и изгиб — на одной странице, с условиями прочности и ссылками в калькуляторы.

Формулы расчёта на прочность →

Непонятно? Спросите Репетитора

Объяснит простыми словами, но по учебникам — и покажет, из какой книги ответ. Ничего от себя: если в книгах этого нет, так и скажет. Нажмите вопрос — он откроется в чате.

Как работает Репетитор по сопромату

Попробовать на своей задаче

Рядом по теме