Mechanik I. Statik und Festigkeitslehre

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1 Mechanik I Statik und Festigkeitslehre Vorlesungsbegleitende Unterlagen Bernd Binninger Aachen im Herbst 2017 Institut fu r Technische Verbrennung RWTH Aachen

2 Inhaltsverzeichnis 1 Statik Kraft Zentrales Kräftesystem Zusammenfassung von zentralen Kräften Berechnung der Resultierenden eines zentralen Kräftesystems Zerlegen einer Kraft in der Ebene Gleichgewicht eines zentralen Kräftesystems Gleichgewicht von zwei Kräften Gleichgewicht haltende Kraft eines zentralen Kräftesystems Wechselwirkungsgesetz Schnittprinzip Aufgabenstellung und Abstraktion Nichtzentrale Kräftesysteme Zusammensetzen von ebenen Kräften mit verschiedenen Angriffspunkten Kräfte mit parallelen oder fast parallelen Wirkungslinien Gleichgewicht von drei Kräften in der Ebene: Dreikräftesatz Gleichgewicht von vier Kräften in der Ebene Räumliches Kräftesystem Moment einer Kraft bezüglich eines Punktes Das Kräftepaar Parallelverschieben einer Kraft Zusammenfassen von Momenten von Einzelkräften Zusammenfassen von Kräften und Momenten Gleichgewicht des starren Körpers Gleichgewichtsbedingungen für starre Körper Lineare Abhängigkeit von Bilanzgleichungen Ebene Lagerungen Statische Bestimmtheit von ebenen Lagerungen Lagerungen im dreidimensionalen Raum Kräftemittelpunkt und Schwerpunkt Definition des Kräftemittelpunktes Berechnung des Schwerpunktes Reibung Haftreibung und Gleitreibung Selbsthemmung Selbsthemmug am Keil Seilreibung Schnittlasten Schnittlasten in ebenen Balken Verallgemeinerung für beliebig verteilte Lasten auf ebenen Balken Schnittlasten in ebenen Rahmen Schnittlasten in Wellen Arbeit Arbeit von Kräften Arbeit von Momenten Arbeit der an einem starren Körper angreifenden Kräfte und Momente Prinzip der virtuellen Arbeit Gleichgewichtslage und Stabilität

3 2 Festigkeitslehre Spannungsvektor Einachsiger Spannungszustand Ebener Spannungszustand Anwendung des Mohrschen Spannungskreises Hauptspannungen und Hauptspannungsrichtungen Räumlicher Spannungszustand Gleichgewichtsbedingungen am Freischnitt, falls am Volumenelement äußere Kräfte angreifen Deformationzustand und Spannungs-Dehnungs-Beziehung Einachsiger Spannungszustand: Dehnung und Querkontraktion Dehnung Querkontraktion Reiner Schub und Scherung Linearisierung und Superpositionsprinzip Räumlicher Deformationszustand Beziehung zwischen Elastizitäts-, Schubmodul und Querkontraktionszahl Verschiebung Zusammenhang von Dehnung und Verschiebung eines räumlichen Elementes Die Navierschen Gleichungen für Gleichgewicht Volumenänderung Gerader Stab Wärmedehnung Verbundwerkstoffe Piezoelektrizität Fachwerke Statisch bestimmtes Fachwerk Statisch unbestimmtes Fachwerk Ausnahmefachwerk Flächentragwerke Gleichförmig belastete Scheibe Rohr unter Überdruck und zylindrischer Kessel Balkenbiegung Spannungs-, Dehnungsverteilung und Krümmungsradius Differentialgleichung der elastischen Linie Flächenträgheitsmomente einfacher und zusammengesetzter Querschnittsflächen Berechnung von Biegelinien Übertragung bereits bekannter Ergebnisse auf andere Fragestellungen Kombinierte Probleme mit Balken und Stäben A Vektoren i A.1 Symbolische und grafische Darstellung von Vektoren i A.2 Darstellung von Vektoren in kartesischen Koordinatensystemens iii A.3 Addition von Vektoren v A.4 Subtraktion von Vektoren vi A.5 Produkte von Vektoren vii A.5.1 Skalares oder inneres Produkt von Vektoren vii A.5.2 Vektor-, Kreuz- oder äußeres Produkt dreidimensionaler Vektoren.... viii A.5.3 Spatprodukt ix A.5.4 Dyadisches oder tensorielles Produkt ix A.5.5 Indexschreibweise und Tensorkalkül in kartesischen Koordinaten..... x A.6 Analysis und Vektoranalysis xv

4 A.6.1 Partielle Ableitung xv A.6.2 Der Gradient xvi A.6.3 Die Divergenz xviii A.6.4 Die Rotation xix A.6.5 Vollständiges, exaktes oder totales Differential xxi B Literaturempfehlungen xxii B.1 Statik xxii B.2 Festigkeitslehre xxii B.3 Dynamik xxii

5 A Vektoren A.1 Symbolische und grafische Darstellung von Vektoren Vektoren unterscheiden sich von einfachen reellen Zahlen, die in dieser Systematisierung als Skalare bezeichnet werden. Vektoren besitzen eine Länge oder Größe (engl. magnitude), zusätzlich eine Richtung (engl. direction) und einen Richtungssinn (engl. sense). symbolisch: lateinischer Buchstabe mit Vektorpfeil: grafisch 1) : Der gezeichnete Pfeil bezeichnet den Richtungssinn und a den skalaren Faktor (nicht Betrag! ) in Bezug zum Richtungssinn. Daraus ergibt sich Folgendes: a > 0 : Richtungssinn des Vektors wie dargestellt a < 0 : Richtungssinn entgegen der Pfeilrichtung Äquivalente grafische Darstellungen ein und desselben Vektors a : 1) Diese Darstellung wird hier in der Mechanik gewählt im Hinblick auf die sehr wichtigen Werkzeuge Lageplan und Freischnittdiagramm. Hierdurch kann die Aussage des 3. Newtonschen Axioms actio=reactio grafisch eindeutig umgesetzt werden. Dies wird aus den Abschnitten 1.3 und 1.4 ersichtlich. i

6 Beispiel - Stellen Sie einen von Ihnen beliebig gewählten Vektor F 1 grafisch dar! Für einen zweiten Vektor gelte in symbolischer Schreibweise F 2 = F 1. - Stellen Sie den so definierten Vektor F 2 in drei verschiedenen äquivalenten Versionen grafisch dar! - Ist die Aussage F 2 = F 1 richtig? Spielt es dabei eine Rolle, ob F 1 > 0 oder F 1 < 0 ist? Lösung ii

7 A.2 Darstellung von Vektoren in kartesischen Koordinatensystemens Besonders einfach kann mit einem Vektor gerechnet werden, wenn seine Darstellung auf ein kartesisches Koordinatensystem Bezug nimmt. z z x y x a z a x a a y y Koordinaten des Vektors: Die oben eingeführte symbolische Schreibweise a kann deshalb bedarfsweise auch als Zeile oder Spalte der drei Skalare geschrieben werden: Länge oder der Betrag des Vektors (Satz des Pythagoras): Die Richtungssinn eines Vektors kann durch Angabe der Winkel zwischen den Koordinatenachsen und dem Vektor angegeben werden: iii

8 Es ist ferner hilfreich Einheitsvektoren in die Koordinatenrichtungen zu definieren: Jeweils zwei Koordinaten verschwinden, die verbleibende dritte Koordinate ist +1. Man gelangt nun offensichtlich vom Fuß des Vektor a zu seinem Endpunkt an der Pfeilspitze, in dem man nacheinander in Richtung der Einheitsvektoren um jeweils eine Strecke, die durch die Koordinaten des Vektors festgelegt wird, marschiert. Es gilt also in symbolischer Schreibweise: Komponenten des Vektors a: iv

9 A.3 Addition von Vektoren symbolisch: Darstellung von c: Außerdem bzw. Koeffizientenvergleich: Vektoren werden addiert, indem ihre kartesischen Komponenten addiert werden. Es gilt das Kommutativgesetz. Verallgemeinerung für viele Vektoren: v

10 A.4 Subtraktion von Vektoren symbolisch: Es folgt sofort Koordinaten des Differenzvektors c: Übung - Stellen Sie für zwei von Ihnen beliebig gewählte zweidimensionale Vektoren a und b die Differenz c = a b grafisch dar und zeigen Sie damit, dass a b = ( b a) gilt! vi

11 A.5 Produkte von Vektoren A.5.1 Skalares oder inneres Produkt von Vektoren Das Skalarprodukt zweier Vektoren ist definiert als das Produkt der Beträge der Vektoren multipliziert mit dem Cosinus des eingeschlossenen Winkels. symbolisch: Aus der Definition folgt sofort das Kommutativgesetz Übung a) Zeigen Sie, dass a a = ( a ) 2! b) Berechnen Sie die Skalarprodukte der Einheitsvektoren des kartesischen Koordinatensystems! c) Berechnen Sie das Skalarprodukt s = a b für Vektoren a und b in kartesischer Darstellung! d) Nennen Sie ein Beispiel aus der Mechanik, für das das Skalarprodukt eine Rolle spielt? vii

12 A.5.2 Vektor-, Kreuz- oder äußeres Produkt dreidimensionaler Vektoren Das Vektorprodukt zweier Vektoren ist nur in drei Dimensionen definiert. Das Vektorprodukt der dreidimensionalen Vektoren a und b ergibt einen Vektor c mit folgenden Eigenschaften: Der Vektor c steht senkrecht auf der durch die beiden Vektoren a und b aufgespannten Ebene. Sein Richtungssinn wird durch die Rechtsschraubenregel bei Drehung des ersten Vektors a auf kürzestem Wege in den Richtungssinn des zweiten Vektors b definiert (Rechte-Hand-Regel oder Rechtsschraubenregel). Seine Länge c ist durch die Größe der Fläche A des von den Vektoren a und b aufgespannten Parallelogramms bestimmt. c b ab a A symbolisch: mit dem skalaren Wert Aus der Definition folgt sofort Übung a) Beweisen Sie: c = a b = b a! b) Zeigen Sie, dass die Länge des Vektors c mit der Fläche A des Parallelogramms identisch ist, welches die Vektoren a und b aufspannen! c) Zeigen Sie, dass für die Einheitsvektoren eines rechtshändigen kartesischen Koordinatensystems i i = 0, j j = 0, k k = 0, gilt! i j = k, j k = i, k i = j d) Zeigen Sie, dass für die Koordinaten des Vektors c = a b c x = a y b z a z b y, c y = a z b x a x b z, c z = a x b y a y b x gilt, wenn die Zahlen a x, a y, a z bzw. b x, b y, b z die rechtwinkligen kartesischen Koordinaten der Vektoren a und b sind! e) Nennen Sie ein Beispiel aus der Mechanik, für das das Kreuzprodukt eine Rolle spielt? viii

13 A.5.3 Spatprodukt symbolisch: Aus den Definition von Skalar- und Kreuzprodukt folgt sofort d = pipapo aa a c ab b A Übung - Beweisen Sie, dass s = a ( b c) identisch mit dem Volumen V des von den drei Vektoren a, b und c aufgespannten Spates ist! A.5.4 Dyadisches oder tensorielles Produkt Das dyadische Produkt vervollständigt die möglichen Produkte von Vektoren in dem Sinne, dass das Skalrprodukt auf einen Skalar oder Tensor nullter Stufe führt, das Vektorprodukt einen neuen Vektor, eben einen Tensor erster Stufe, erzeugt und jetzt mit dem dyadischen Produkt ein Tensor zweiter Stufe definiert wird, dessen Struktur der einer Matrix entspricht. Mit dem dyadischen Produkt zweier Vektoren a R m und b R n wird allgemein der folgende Tensor zweiter Stufe c R m n a 1 (1.5.69) c = a b = a b tr =. ( a 1 b 1 a 1 b n ) b 1 b n =..... mit c R m n a m a m b 1 a m b n definiert. Aus den Eigenschaften der Matrizenmultiplikation ergibt sich, dass das dyadische Produkt im Allgemeinen nicht kommutativ ist. Es gilt allerdings (1.5.70) a b = ( b a) tr Die Ausnahme bildet der Fall, dass der entstehende Tensor symmetrisch ist. Dies ist genau dann der Fall, falls m = n und die Vektoren gleichgerichtet sind: a = λ b. In der Mechanik werden wir typischerweise bei ebenen Problemen n = m = 2 und bei dreidimensionalen Problemen m = n = 3 vorfinden. In unserer Darstellung der Festigkeitslehre werden erstmals Tensoren zweiter Stufe mit dem Spannungs- und Dehnungstensor sowie dem Flächenträgstensor auftreten. In der Dynamik wird der Massenträgheitstensor bei der Kinetik ix

14 B Literaturempfehlungen B.1 Statik Technische Mechanik 1: Band 1: Statik Dietmar Gross, Werner Hauger, Jörg Schröder, und Wolfgang A. Wall von Springer-Verlag, Berlin (Taschenbuch, 2008), ISBN-10: Formeln und Aufgaben zur Technischen Mechanik 1: Statik Dietmar Gross, Wolfgang Ehlers, und Peter Wriggers, Springer-Verlag, Berlin (Taschenbuch, 2008) Technische Mechanik 1 Band 1 Statik E. Pestel, Mannheim Wien Zürich, BI-Verlag, 1982 B.2 Festigkeitslehre Technische Mechanik 2: Band 2: Elastostatik Dietmar Gross, Werner Hauger, Jörg Schröder, und Wolfgang A. Wall von Springer-Verlag, Berlin (Taschenbuch, 2008), 10. Auflage, ISBN: B.3 Dynamik Technische Mechanik 3: Kinetik Dietmar Gross, Werner Hauger, Jörg Schröder, und Wolfgang A. Wall, Springer-Verlag, Berlin (Taschenbuch, 2006), ISBN: (Print) (Online) Formeln und Aufgaben zur Technischen Mechanik 3: Dynamik Gross, D., Ehlers, W., Wriggers, P., Schröder, J., Müller, R., Springer-Verlag, Berlin (Taschenbuch, 10. erw. Aufl. 2012), ISBN: xxii