Mehmet Maraz. MechanikNachhilfe

Transkript

1 Mehmet Maraz MechanikNachhilfe 1. Auflage 015

2 Inhaltsverzeichnis 1 Statik Lagerungen und Lagerreaktionen Kräftegleichgewichte Drehmoment D-Systeme Streckenlast Schwerpunkt Haftreibung Schnittgrößen Berechnung von Schnittgrößen durch Intergration Ebene achwerke Elastostatik 67.1 Dehnung lächenträgheitsmoment Biegung Normalspannung Torsion Kinematik Satz von Euler Momentanpol Kinetik Massenträgheitsmoment Impuls- und Drehimpulssatz Energieerhaltungssatz

3 6 1 Statik 1..1 Drehmoment Kräfte können neben geradlinige Bewegungen auch Drehbewegungen verursachen. Diese Drehwirkung, auch Drehmoment bezeichnet, bezieht sich immer auf einen bestimmten Punkt (in D) bzw. eine Achse (in 3D). Als Beispiel hierzu schauen wir uns das estziehen einer Schrauben mithilfe eines Schraubenschlüssels an. Um die in der Abb. gezeigte Schraube festzuziehen wird am Ende des Schraubenschlüssels eine Kraft aufgewendet. Durch diese Kraft wird die Schraube rechts herum gedreht. Die Drehung findet genau um den Mittelpunkt der Schraube statt. Dies ist der sogenannte Momentenbezugspunkt. Also der Punkt, um den die Schraube gedreht wird. Das durch die Kraft auf die Schraube übertragene Moment ist definiert als Moment M = l M l Moment Kraft Hebelarm Der in der ormel angegebene Hebelarm ist in unserem oben gezeigten Beispiel der Abstand zwischen dem Kraftangriffspunkt und dem Mittelpunkt der Schraube. Das Moment einer Kraft bezüglich eines bestimmten Punktes (Momentenbezugspunkt) kann man wie folgt bestimmen. Vorgehensweise Momente 1. Momentenbezugspunkt wählen.. Wirkungslinie der Kraft einzeichnen. 3. Den kürzesten Abstand zwischen Momentenbezugspunkt und Wirkungslinie der Kraft bestimmen. Dies ist der Hebelarm. Der kürzeste Abstand zwischen einem Punkt und einer Linie ist immer der senkrechte Abstand. 4. Drehsinn bestimmen (siehe Rechte-Hand-Regel unten).

4 8 1 Statik z y x Um den Drehsinn bezüglich einer Achse zu erkennen, muss man in einem nächsten Schritt mit der rechten Hand nun die gewünschte Achse, bspw.z-achse umgreifen, wobei der Daumen in die positive z-richtung zeigen muss. Nun zeigen die inger die positive Drehrichtung bezüglich der gewünschten Achse. z y ür die Bestimmung des Drehsinns für Momente um die x-achse muss dementsprechend analog die rechte Hand die x-achse mit dem Daumen in die positive Richtung umfassen. Die inger zeigen auch hier wieder die positive Drehrichtung an. x

5 10 1 Statik Aufgabe 1..1 Ein Balken wird wie dargestellt durch eine Einzelkraft belastet. Man ermittle alle Lagerreaktionen. a a Gegeben a, Vorgehensweise Kräftegleichgewichte 1. Koordinatensystem festlegen.. Körper freischneiden (reikörperbild). 3. Kräfte einzeichnen. 4. Gleichgewichtsbedingungen aufstellen ( Kräftesummen, 1 Momentensumme). Den Momentenbezugspunkt so wählen, dass möglichst viele unbekannte Kräfte wegfallen. 5. Nach Unbekannten auflösen.

6 1. Kräftegleichgewichte 11 Lösung 1..1 Als erstes wird das Koordinatensystem festgelegt. Wir verwenden das x, y-koordinatensystem. Im darauffolgenden reikörperbild wird der Balken als Ganzes freigeschnitten, da es sich dabei um ein einzelnes, zusammenhängendes Bauteil handelt. Bei der Eintragung der Lagerreaktionen (A x, A y und B) werden diese in einer beliebigen Richtung angenommen, da sie noch unbekannt sind. Die Kraft jedoch muss so eingetragen werden, wie sie auch vorgegeben ist, da es sich dabei um eine eingeprägte bzw. von außen wirkende Kraft handelt. Das bedeutet, man weiß wie diese Kraft wirkt. y x A x A y B Nun werden die Kräftesummen und die Momentensumme aufgestellt Aus der Gleichung (1.1) folgt x = 0 = A x (1.1) y = 0 = A y + B (1.) M A = 0 = ab 3a (1.3) A x = 0 Aus Gleichung (1.3) ergibt sich durch Umstellung und Auflösung nach der gesuchten Größe B ab = 3a B = 3 B in Gleichung (1.) eingesetzt und nach der gesuchten Größe A y umgeformt ergibt schließlich 0 = A y + B 0 = A y + 3 A y = 3 A y = 1 Damit sind alle Unbekannten Kräfte (Lagerreaktionen A x, A y und B) berechnet und die Aufgabe gelöst.

7 1 1 Statik Aufgabe 1.. Das System wird wie dargestellt durch eine Einzelkraft belastet. Man ermittle alle Lagerreaktionen. a a a Gegeben a,

8 1. Kräftegleichgewichte 13 Lösung 1.. Das System muss in zwei Teile zerlegt werden, da es sich hierbei um zwei Bauteile handelt, die über ein Gelenk miteinander verbunden sind. Diese werden am Gelenk getrennt. Hierbei ist zu beachten, die Gelenkkräfte einzutragen. Die Richtungen der Gelenkkräfte sind an den beiden Bauteilen jeweils entgegengesetzt. I II M B G x G x B x A G y G y B y ür den Körper I lauten die Gleichgewichtsbedingungen x = 0 = G x G x = 0 (1.4) y = 0 = A +G y (1.5) M A = 0 = a+ag y G y = 1 (1.6) Der Momentbezugspunkt wurde am linken Stabende angenommen. Aus der Gleichung (1.5) folgt mit G y = 1 A = G y = 1 = 1 = A ür den Körper I I lauten die Gleichgewichtsbedingungen y = 0 = G x + B x Da wir wissen, dass G x = 0 ist, folgt hier sofort B x = 0 Durch die beiden übrigen Summen können die verbleibenden Unbekannten aufgelöst werden y = 0 = G y + B y B y = G y = 1 = B y M B = 0 = M B + ag y M B = ag y = a 1 = M B Der Momentenbezugspunkt wurde am rechten Stabende angenommen.

9 14 1 Statik 1.. 3D-Systeme Die vorherigen Aufgaben waren zweidimensional. Nun schauen wir uns dreidimensionale Systeme an. Bei 3D-Systemen kommt eine zusätzliche Koordinatenachse hinzu. In diesem all die z-achse. Zu den bestehenden Kräftegleichgewichten ( x und y ) kommt nun eine weitere Gleichung ( z ) hinzu. Bei den Momentengleichgewichten müssen zwei weitere Gleichungen aufgestellt werden. Vorgehensweise Kräftegleichgewichte in 3D-Systemen 1. Koordinatensystem festlegen (dreidimensional).. Körper freischneiden (reikörperbild). 3. Kräfte einzeichnen. 4. Gleichgewichtsbedingungen aufstellen (3 Kräftesummen, 3 Momentensumme). Den Momentenbezugspunkt so wählen, dass möglichst viele unbekannte Kräfte wegfallen. 5. Nach Unbekannten auflösen.

10 1. Kräftegleichgewichte 15 Aufgabe 1..3 Eine in die Wand fest eingespannte rechtwinklinge Stange wird wie dargestellt belastet. Man ermittle alle Lagerreaktionen. Gegeben a, b, c, a b c Gegeben a, b, c,

11 16 1 Statik Lösung 1..3 Die rechtwinklige Stange wird von der festen Einspannung freigeschnitten. Da es sich um ein dreidimensionales System handelt, müssen nun drei Koordinatenachsen betrachtet werden. Neben den Kräften, die entlang der x- und y-koordinate auftreten, müssen nun auch die Kräfte entlang der z-koordinate berücksichtigt werden. Bei den zweidimensionalen Aufgaben wurden in festen Einspannung bisher nur zwei Kräfte und ein mögliches Moment eingetragen. Im dreidimensionalen tragen wir nun neben drei Kräften auch alle drei möglichen Momente ein, die auftreten können. Momente um eine bestimmte Achse stellen wir auf dem zweidimensionalen Blatt als Doppelpfeile dar, um die Übersicht zu behalten. Die Pfeilrichtung zeigt dabei an, ob das Moment positiv oder negativ ist. Mit der oben besprochenen Rechte-Hand-Regel ist dadurch die Drehrichtung nachvollziehbar. M Ay y A y x M Ax A x a z A z b M Az c Die Gleichgewichtsbedingungen lauten, wobei der Momentenbezugspunkt sich bei Punkt A (Einspannung) befindet x = 0 = A x A x = 0 (1.7) y = 0 = A y + A y = (1.8) z = 0 = A z A z = 0 (1.9) M A x = 0 = M Ax b M Ax = b (1.10) M A y = 0 = M Ay M Ay = 0 (1.11) M A z = 0 = M Az + a M Az = a (1.1) Der Drehsinn des Moments a, welches in der Summe für M A x auftritt, kann nach der Rechte-Hand-Regel wie folgt erklärt werden. Man umgreift mit der rechten Hand die x-achse, so dass der Daumen in die positive Koordinatenrichtung zeigt. Nun prüft man, in welcher Weise die Kraft die

12 1. Kräftegleichgewichte 17 rechte Hand um die x-achse drehen würde. Da die Kraft von uns aus gesehen weiter vorne liegt und nach oben zeigt, resultiert eine Drehbewegung, die den gekrümmten ingern der rechten Hand entgegenwirkt. Dadurch erhält man das negative Vorzeichen bzw. den Drehsinn des Moments. Postiv wäre das Moment, wenn die Drehbewegung in Richtung der gekrümmten inger zeigen würde. positive Drehrichtung bzgl. der x-achse y x z Der Hebelarm ist der senkrechte Abstand zwischen der Drehachse (in diesem all die grüne x-koordinatenachse) und der Wirkungslinie (rot gestrichelt) der Kraft. y x z Hebelarm = b Der Drehsinn des Moments a, dass in der Summe für Mz A auftritt, kann nach der Rechte-Hand-Regel wie folgt erklärt werden. Man umgreift mit der rechten Hand die z-achse, so dass der Daumen in die positive Koordinatenrichtung zeigt. Nun prüft man, in welcher Weise die Kraft die rechte Hand drehen würde. Da die Kraft von uns aus gesehen rechts von der z-achse liegt und nach oben zeigt, resultiert eine Drehbewegung, die der Richtung der gekrümmten ingern der rechten Hand entspricht. Dadurch erhält man das positive Vorzeichen bzw. den Drehsinn des Moments.

13 18 1 Statik positive Drehrichtung bzgl. der z-achse y x z Drehbewegung durch die Kraft Der Hebelarm ist der senkrechte Abstand zwischen der Drehachse (in diesem all die grüne z-koordinatenachse) und der Wirkungslinie (rot gestrichelt) der Kraft. y x Hebelarm = a z

14 1. Kräftegleichgewichte 19 Aufgabe 1..4 Eine in die Wand fest eingespannte abgewinkelte Stange wird wie dargestellt durch zwei Kräfte und ein Moment belastet. Man ermittle alle Lagerreaktionen. Gegeben a, b, c, 1,, M 1 a 1 b M 1 c

15 64 1 Statik x = 0 = A x + S 4 + y = 0 = A y + S 1 + S 3 (1.47) S 3 (1.48) Hier können noch keine Stabkräfte konkret berechnet werden, da es noch zu viele Unbekannte gibt. Wir betrachten daher den nächsten Knoten. Knoten II B S II S 1 x = 0 = B+S S = B = (1.49) y = 0 = S 1 S 1 = 0 (1.50) S 1 ist ein Nullstab. Eingesetzt in (1.48) ergibt S 3 in (1.47) ergibt Knoten III 0 = + 0 = +S 4 + S 3 S 3 = ( ) S 4 = S S 6 III S 3 S 5 x = 0 = S + S 6 y = 0 = S 5 S 3 (1.51) S 3 (1.5)

16 1.7 Ebene achwerke 65 Mit S = und S 3 = folgt für S6 in (1.51) 0 = +S 6 Mit S 3 = folgt für S 5 in (1.5) 0 = S 5 ( ) S 6 = ( ) S 5 = Knoten IV S 6 IV S 7 S 8 Mit S 6 = folgt für S 7 in (1.53) x = 0 = S 6 y = 0 = S 8 0 = Mit S 7 = folgt für S 8 in (1.54) S 8 ist ein Nullstab. 0 = S 8 S 7 (1.53) S 7 S 7 = S 7 (1.54) ( ) S 8 = 0 Knoten V V S 8 S 9 x = 0 = S 9 S 9 = 0 S 9 ist ebenfalls ein Nullstab. Somit ergeben sich folgende Ergebnisse:

17 4. Impuls- und Drehimpulssatz 131 Aufgabe 4..1 Auf einem Band (Masse vernachlässigbar), das in A befestigt ist und über eine massebehaftete Umlenkrolle (Radius r, Masse m, Massenträgheitsmoment Θ ) und eine masselose Umlenkrolle geführt wird, liegt ein Hohlzylinder (Radien r 1, r 1, Masse m 1, Massenträgheitsmoment Θ 1 ). Mit Hilfe des Gegengewichtes (Masse m 3 ) wird der Hohlzylinder angehoben. Die Massenträgheitsmomente sind bezüglich des jeweiligen Schwerpunktes anzunehmen. A ϕ y C r x S 3 D g y 1 S 1 S r 1 m, Θ m 3 B r 1 y 3 m 1, Θ 1 ϕ 1 Gegeben g, m 1, m, m 3, r 1, r, Θ 1, Θ a) Stellen Sie alle Gleichgewichtsbedingungen der massebehafteten Körper (bezüglich deren Schwerpunkte) auf. Verwenden Sie hierzu die angegebenen Koordinaten. b) Bestimmen Sie die Gleichungen für die kinematischen Bindungen (Beziehung zwischen ÿ 1, ϕ 1 und ϕ in Abhängigkeit von ÿ 3 ). c) Berechnen Sie die Massenträgheitsmomente Θ 1 und Θ bezüglich deren Schwerpunkte für den Hohlzylinder und die Umlenkrolle.

18 13 4 Kinetik Lösung 4..1 a) Körper I Zunächst erfolgt der reischnitt für Körper I. Es werden in das reikörperbild alle Kräfte eingezeichnet. Die Koordinatensysteme sind ebenfalls eingetragen worden, sind jedoch nicht zwingend erforderlich. I y 1 S 1 S m 1 g ϕ 1 Nun werden die Impulssätze und der Drallsatz für Körper I aufgestellt. Der Drallsatz wurde bezüglich des Mittelpunktes gebildet. m 1 ẍ 1 = 0 m 1 ÿ 1 = S 1 + S m 1 g Θ 1 ϕ 1 = S r 1 S 1 r 1 Körper I I Analog zu Körper I wird auch hier zunächst das reikörperbild erstellt und alle Kräfte eingetragen. II y ϕ S 3 C y S C x m g x Analog folgen hier die Impulssätze und der Drallsatz. Auch hier wurde der Drallsatz bezüglich des Mittelpunktes gebildet. m ẍ = S 3 + C x m ÿ = S m g+c y Θ ϕ = S 3 r S r