Возьмем лист бумаги и попробуем удержать его в в выпрямленном состоянии, зафиксировав рукой один из углов. Даже без реального эксперимента понятно, что лист начнет сворачиваться. Теперь возьмем такой же лист, предварительно сложим его пополам и повторим эксперимент. Лист со складкой прекрасно выдерживается в любом положении и под собственным весом не деформируется.
Так что же изменилось? Появилась складка. И всё! Материал тот же самый, силы те же самые, масса та же самая. Получается, только появление линии сгиба определяет свойства...Но как?
На практике этот прием применяется очень часто. Такой изгиб называется ребром жесткости.
Ребро жесткости в конструкциях
Ребро жесткости - это стандартный способ придания нужных свойств материалу. Проанализируйте все конструкции вокруг себя. Наверняка как минимум в половине случаев ребро жесткости будет присутствовать. Это уголки, которые используются как опоры для стеллажей, это несущие части любого каркаса, которые обязательно имеют такой изгиб, это ступеньки у металлических лестницах.
Прием этот стандартизирован и используется в технике повсеместно. Ну а если открыть учебник по основам конструирования, то обязательно увидите там описание этого способа упрочнения.
Несмотря на то, что эффект этот более чем известен и с самого детства мы используем его самостоятельно, причины появления прочности у деформированного материала знают не все. Давайте разбираться.
Почему ребро упрочняет материал
Проанализируйте, что именно меняется в листе бумаги, который согнули под углом в 90 градусов. В общем-то, практически все характеристики остаются прежними. Вот только изгиб, который так бы согнул листик бумаги, теперь распределяется слегка иначе.
Напряжения, которые возникают в материале, распространяются теперь не в продольной плоскости, а в поперечной. В этой плоскости согнуть листик гораздо сложнее. Ведь нужно буквально разорвать межмолекулярные связи.
Если материал не пластичен, то он скорее разрушится, нежели отреагирует на такое нагружение. И опять это очень просто проверить. Возьмите листик и ориентируйте его не в горизонтальном направлении,а в вертикальном. Он не гнётся? Всё верно.
Упрощенно можно сказать, что мы увеличили толщину сечения рассматриваемого материала в несколько сотен раз и конечно же, при подобной толщине листик не гнулся бы под своим весом и в горизонтальной плоскости.
Помимо этого, в материалах происходит и ещё кое-что.
Упрочнение от ребра на уровне структуры материала
Тут уже уместно переходить к металлическому материалу, хотя аналогичным образом оно работает и для полимеров, и для той самой бумаги. Итак, представьте себе обычный металл. Пусть какая-нибудь сталь и прокатанный лист из неё.
Мы помним, что когда материал деформируется, структура отвечает на этот процесс известным образом. Начинается движение дислокаций, вместе с этим активизируются различного рода дефекты и преграды для их перемещения. Удобно представлять себе такой процесс, как перемещение слоев внутри материала. Как карточную колоду сдвинуть.
Смещаются слои и вдруг упираются в дефект. Это может быть примесный атом или что-то подобное. В этом месте образуется напряженное состояние. Как будто в метро все пытаются зайти. а места вагоне нет.
Напряженное состояние препятствует пластической деформации. Слоям просто некуда сдвигаться. Остается или сломаться совсем(но нагрузки не те), или просто выдерживать это нагружение.
В итоге получается, что создавая уголок или сгиб на любом листе, мы создаем намеренно напряженное состояние. Механическое напряжение не позволяет работать механизмам пластической деформации и согнутая деталь действительно прочнее нежели такая же деталь из такого же материала, но без ребра жесткости.
Ребро жесткости нашло применение в самых разнообразных конструкциях и при этом важно иметь в виду, что ребро жесткости - это не обязательно гнутый уголок. Это любой элемент конструкции, который старается направить деформацию "по сложному" пути перемещения.
Обязательно подпишитесь на проект, оцените статью лайком и напишите комментарий! Это поможет развитию канала, а вы не пропустите новые интересные статьи