📙 С подборкой статей о теории удара и ударной нагрузке можно ознакомиться здесь:
Действие ударных сил приводит к значительному изменению за время удара скоростей точек тела, и может приводить к появлению остаточных деформаций, звуковых колебаний, нагреванию тел, изменению механических свойств их материалов, полиморфным и химическим превращениям и др., а при скоростях соударения, превышающих критические, - разрушению тел в месте удара.
Что такое ударный импульс
Импульс силы - силовая характеристика силового воздействия на объект в течении некоторого промежутка времени.
Зная скорости в начале удара и коэффициент восстановления k, можно найти скорости в конце удара и действующий в точках соударения ударный импульс S.
Основные уравнения общей теории удара вытекают из теорем об изменении количества движения и кинетического момента системы при ударе. С помощью этих теорем, зная приложенный ударный импульс и скорости в начале удара, определяют скорости в конце удара, а если тело является несвободным, то и импульсивные реакции связей.
Для удара справедлива теорема импульсов: изменение количества движения системы за время удара равно ударному импульсу ΔK=S (тут при подсчёте изменения количества движения упругой системы должны учитываться не только общие, но и местные контактные деформации в системе).
Импульс силы F, действующей на материальную точку, за конечный промежуток времени Δt называется определенный интеграл от этой силы с нижним пределом и верхним пределом, отличающимся на временной промежуток Δt.
Интеграл от ударной силы Fyd на малом промежутке времени Т - времени удара, называется ударным импульсом.
О коэффициенте восстановления (потери энергии при ударе)
Значение ударного импульса, появляющегося при соударении двух тел, зависит не только от их масс и скоростей удара, но и от упругих свойств соударяющихся тел.
При ударе реальных тел механическая энергия к концу удара восстанавливается лишь частично вследствие потерь на образование остаточных деформаций, нагревание тел и др.:
|VAn-VBn| < |vAn-vBn|.
Для учёта этих потерь вводится коэффициент восстановления k.
Коэффициент восстановления - отношение абсолютной величины нормальной проекции относительной скорости тел после удара к её величине до удара.
k=u / v = |VAn-VBn| / |vAn-vBn| = - (VAn-VBn) / (vAn-vBn)
В случае удара по неподвижному телу VBn = vBn = 0 и k = - VAn / vAn.
Значение k определяется экспериментально.
Например, измерением высоты h, на которую отскакивает шарик, свободно падающий на горизонтальную плиту из того же материала, что и шарик, с высоты H.
В этом случае по формуле Галилея k=sqrt(h/H).
В предельных случаях для абсолютно упругого удара k=1, a для абсолютно неупругого k=0.
По данным опытов, коэффициент восстановления при изменении скорости в небольших пределах считается зависящим только от физических свойств материалов тел, согласно Ньютону.
По данным опытов, при скоростях соударения тел порядка 3 м/с для удара дерево о дерево k~0,5, стали о сталь~0,55, стекла о стекло~0,94.
Влияние скорости деформирования на механические свойства материалов
При больших скоростях деформирования (ε > 0,01 1/сек) механические характеристики материалов изменяются.
Замечание:
для ударов со сверхвысокими начальными скоростями (тысячи м/с), встречающихся, например, в ракетной технике, при описании удара необходимо прибегать к позициям термодинамики, так как возможен переход материалов в иное агрегатное состояние.
Влияние скорости деформирования на сталь
Наибольшее влияние скорость деформирования оказывает на величину предела текучести, а на предел прочности в меньшей степени.
Величина модуля Юнга от скорости деформирования практически не зависит.
Влияние скорости деформирования на механические свойства сталей зависит от содержания углерода, причем с повышением содержания углерода, а также при упрочнении арматурных сталей вытяжкой это влияние уменьшается.
Повышение предела текучести мягких сталей объясняется свойством запаздывания пластических деформаций стали. Это свойство заключается в том, что сталь в течение определённого времени сохраняет состояние упругости при напряжениях, превышающих предел текучести. Время, в течении которого напряжение в стали достигает величины динамического предела текучести, называется временем запаздывания пластических деформаций.
Величина динамического предела текучести зависит от времени запаздывания, режима загружения и температуры. Явление запаздывания пластических деформаций объясняют исходя из теории дислокаций.
Влияние скорости деформирования на бетон
Влияние скорости деформирования на бетона проявляется в изменении диаграммы деформаций и повышении предела прочности. При увеличении скорости загружения диаграммы деформаций изменяются, приближаясь на начальном участке к диаграмме упругого материала.
Модуль деформаций при этом возрастает, величина же предельной деформации остается практически постоянной, и для бетона различных марок изменяется в пределах от 0,002 до 0,003.
В теоретической механике соударение предполагается мгновенным, вследствие чего силы, возникающие при соударении абсолютно твердых тел, бесконечно велики, поэтому в рассмотрение вводятся лишь энергии и импульсы. Если хотя бы одно из тел упруго, то продолжительность удара всегда конечна и величина силы может быть определена.
Изменение скоростей точек тела за время удара определяется методами общей теории удара, где в качестве меры механического взаимодействия тел при ударе вместо самой ударной силы P вводится её импульс за время удара Т (ударный импульс).
Одновременно (обычно), ввиду малости Т, импульсами всех неударных сил (например, силы тяжести, силы притяжения или отталкивания), а также перемещениями точек тела за время удара пренебрегают (ввиду значительности импульса силы при ударе).
Влияние ударной вязкости материала
Ударная вязкость - способность материала поглощать механическую энергию в процессе деформирования и разрушения под действием ударной нагрузки.
Ударная вязкость - механическая характеристика материала, оценивающая сопротивление его хрупкому разрушению.
Ударная вязкость - механическая характеристика материала, соответствующая отношению работы разрушения при ударном изгибе образца к начальной площади его конечного сечения в плоскости излома (например, надрезанного образца при испытаниях образца на маятниковом копре при ударном изгибе в результате воздействия маятника).
Ударная вязкость материала снижается при уменьшении температуры, что позволяет оценивать его склонность к хрупкому разрушению.
В частности, действие ударных сил может приводить к упрочнению механических свойств материалов: опытами установлено, что при действии удара прочностные и деформативные характеристики строительных материалов (ударные пределы прочности и текучести, ударные модули упругости) значительно выше, чем при действии неударных сил. Отношения ударных значений характеристик материалов к их статическим значениям тем выше, чем больше скорость деформирования и чем меньше статические значения пределов прочности или текучести, а также модулей упругости данного материала.
При ударном нагружении многие материалы, которые при статическом нагружении были пластичными, работают как хрупкие: это в сильной степени зависит от состава и структуры материала тела, скорости нагружения, температуры и концентрации напряжений.
В машиностроении в качестве материала для изготовления деталей, которые подвергаются удару в работе, выбирают материалы с большой вязкостью.
📙 С общей информацией о том, как происходит удар - можно ознакомиться здесь:
📙 О других действующих на сооружения нагрузках и воздействиях можно прочитать здесь:
👷♂️ Пишите, если есть что прокомментировать или добавить