ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ
СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ «ТЕХНИЧЕСКАЯ МЕХАНИКА»
Техническая механика — это общетехническая дисциплина, в которой излагаются основы и методика расчета наиболее распространенных элементов различных конструкций на прочность, жесткость и устойчивость.
Прочностью называется способность материала или конструкции воспринимать различные воздействия (нагрузки, температурные перепады, просадки грунтов и т.п.), не разрушаясь и не претерпевая беспрепятственного деформирования. Под разрушением подразумевается полное нарушение целостности тела (конструктивного элемента) вследствие накопления повреждений и развития трещин (рис. 1.1, а).
Рис. 1.1
Техническая механика, будучи начальной ступенью сопротивления материалов, по своему содержанию примыкает к разделу механики, именуемому механикой деформируемого твердого тела, где рассматриваются законы равновесия и движения твердых тел в условиях их деформирования при различных воздействиях (нагрузках). Из этой науки и техническая механика, и сопротивление материалов заимствуют общую методологию и математически более точные и обоснованные решения отдельных задач. В то же время обе дисциплины опираются на методы и уравнения механики абсолютно твердого тела (теоретической механики), где постановка вопроса о расчете на прочность лишена смысла, поскольку в самой терминологии заложена идея неразрушимости и отсутствия каких бы то ни было деформаций. Поскольку все твердые тела (конструктивные элементы) в той или иной степени деформируемы, т.е. способны под нагрузкой изменять свои геометрические размеры и форму, техническую механику можно рассматривать как следующий после теоретической механики шаг на пути приближения к расчету реальных конструкций и сооружений.
В случаях, когда деформации тела несущественны и ими можно пренебречь, выводы теоретической механики оказываются точными и вполне достаточными, например опорные реакции статически определимых балок находят из уравнений статики, предполагая, что эти балки абсолютно недеформируемы. При расчете грузоподъемных механизмов обычно пренебрегают деформациями звеньев, которые изготовляют весьма жесткими, поэтому скорости и ускорения, вычисленные по правилам кинематики, точно соответствуют действительным. В то же время существует обширный класс систем, которые принципиально не могут быть рассчитаны без рассмотрения их в деформированном состоянии (так называемые статически неопределимые системы).
Деформирование нагруженной конструкции и ее элементов обусловливает перемещение их отдельных точек (сечений). Так, элемент, изображенный на рис. 1.1, б, получает вертикальные перемещения. При некотором значении нагрузки максимальное перемещение может воспрепятствовать нормальной эксплуатации элемента, хотя его прочность еще не исчерпана. В таком случае считают, что элемент (конструкция) имеет недостаточную жесткость. Следовательно, жесткость можно характеризовать как способность конструктивного элемента воспринимать воздействие без существенного изменения формы и геометрических размеров.
Помимо прочности и жесткости конструкции и их элементы должны обладать устойчивостью, т.е. способностью сохранять под нагрузкой первоначальную форму равновесия. Если малое приращение нагрузки вызывает сильное нарастание отклонения тела (элемента) от положения равновесия — выпучивание, рис. 1.1, в), то утверждают, что тело (элемент) потеряло устойчивость. Проблема обеспечения устойчивости возникает при расчете тонких сжатых элементов, и ей уделяется особое внимание, так как потеря устойчивости может происходить при нагрузках, безопасных с точки зрения прочности или жесткости.
Техническая механика играет важную роль в инженерно-строительном образовании, являясь связующим звеном между теоретическими науками (математикой, физикой, теоретической механикой и др.) и специальными дисциплинами (такими как сопротивление материалов в широком понимании, строительная механика, испытание сооружений, строительные конструкции и т.д.), связанными с расчетом и проектированием надежных и экономичных строительных конструкций.
Надежной считается конструкция, которая сохраняет свою эксплуатационную способность (прочность, жесткость, устойчивость) в течение заранее предусмотренного промежутка времени. Нарушение возможности эксплуатировать конструкцию называется отказом. Таким образом, надежность представляет собой способность конструкции или ее отдельных элементов безотказно выполнять свои функции в течение установленного срока службы.
Надежность и экономичность являются, по существу, противоположными понятиями. Важнейшее требование строительной техники — обеспечение надежности сооружения при наименьшей затрате материала — содержит в себе противоречие, поскольку повышение уровня надежности достигается чаще всего увеличением поперечных размеров конструктивных элементов, в то время как экономия материала заставляет стремиться к уменьшению тех же самых размеров. В этом проявляется один из законов диалектики — закон единства и борьбы противоположностей.
Техническая механика помогает разрешить данное противоречие, позволяя установить в каждом конкретном случае оптимальные размеры, при которых надежность обеспечивается без излишних запасов, удовлетворяя экономической стороне вопроса.
Таким образом, основными задачами технической механики являются обоснование, разработка и совершенствование методов расчета наиболее распространенных элементов конструкций на прочность, жесткость и устойчивость при одновременном удовлетворении требований надежности и экономичности.
Для решения этой задачи теоретическая часть дисциплины тесно увязывается с экспериментальной. Опыт позволяет изучить в сравнительно простых условиях механические свойства конструкционных материалов путем лабораторных испытаний специальных образцов. В дальнейшем опытные данные используют в теории для расчета конструктивных элементов из того же материала в любых, даже самых сложных условиях нагружения. Кроме того, теория указывает, в каком направлении необходимо вести экспериментальное исследование. Опыт, в свою очередь, позволяет проверить справедливость основных теоретических положений и расчетных формул. Для технической дисциплины это особенно важно, так как необходимость доведения каждого расчета до конечного числового результата заставляет прибегать к различным упрощающим предпосылкам и допущениям, которые требуют экспериментального подтверждения.
