- •Тема 7 общие теоремы об упругих системах. Общие методы определения перемещений
- •7.1. Понятие о потенциальной энергии деформации. Закон сохранения энергии. Обобщенная сила и обобщенная координата
- •7.3. Вычисление потенциальной энергии деформации. Определение перемещений при непосредственном использовании потенциальной энергии
- •При плоском поперечном изгибе
- •7.5. Вычисление интегралов Мора по способу Симпсона
- •7.6. Матричный метод определения перемещений по способу Мора-Симпсона
- •7.7. Теоремы о взаимности работ и взаимности перемещений
- •7.8. Теорема Кастильяно. Теорема Лагранжа
- •7.10. Тесты к теме №7 “Общие теоремы об упругих системах. Общие методы определения перемещений”
- •7.9. Теорема о минимуме потенциальной энергии
7.7. Теоремы о взаимности работ и взаимности перемещений
Установим зависимость между деформациями в различных сечениях балки, пользуясь понятием потенциальной энергии.
Если
к балке, нагруженной силой
в сечении №1 (Рис.7.15), приложить затем
статически силу
в сечении №2, то к прогибу точки приложения
силы
от этой же силы
прибавится прогиб от силы
,
равный
.
Порядок индексации у перемещений
описан выше.

Рис.7.15
Полная
работа внешних сил будет состоять из
трех частей: работы силы
на вызванном ею перемещении
,
т.е.
;
работы силы
на вызванном ею перемещении
,
т.е.
;
работы силы
на перемещение точки ее приложения от
силы
,
т.е.
.
Таким образом, накопленная в балке при действии обеих сил энергия будет равна:
.
(7.38)
Как отмечалось выше, количество энергии деформации зависит лишь от конечных значений сил и прогибов и не зависит от порядка нагружения.
Если
теперь к балке, нагруженной силой
,
приложить силу
,
то повторив цепь вычислений, получим:
.
(7.39)
Сравнивая
оба значения потенциальной энергии
,
имеем:
.
(7.40)
Выражение
(7.40) представляет собой теорему о
взаимности работ, была выведена
итальянским ученым Энрико Бетти и
формулируется следующим образом: работа
силы
(или первой группы сил) на перемещениях,
вызванных силой
(второй группой сил), равна работе силы
на перемещениях, вызванных силой
.
Эта
теорема имеет важное практическое
применение. Если
,
то
.
Пользуясь этим свойством взаимности,
можно упростить выполнение опытов по
определению перемещений. Пусть мы хотим
экспериментальным путем найти прогибы
в сечениях №1, №2, №3, №4 балки, защемленной
одним концом А и нагруженной на другом
конце В силой
(Рис.7.16).

Рис.7.16
Вместо
того, чтобы ставить для каждой точки
свой прибор для измерения перемещений
(прогибомер) (Рис.7.16,а) или переносить
прибор, что всегда неудобно и может
привести к ошибкам измерения, можно
поступить иначе. Поставим прогибомер
в точке В, а силу
будем последовательно прикладывать в
сечениях №1, №2, №3, №4 (Рис.7.16,б). Измеренные
в точке В прогибы и будут по теореме
Бетти равны прогибам точек №1, №2, №3,
№4 от силы
,
приложенной в точке В.
Применяя
теорему Бетти к частному случаю
нагружения, когда в обоих состояниях
приложено по одной обобщенной силе
и
в точках №1 и №2 (Рис.7.15). На основании
формулы (7.40)
,
а
так как
,
то
.
(7.41)
Выражение (7.41) теоремы о взаимности перемещений (теоремы Джеймса Клерка Максвелла) и формулируется следующим образом: перемещение точки приложения первой единичной силы по ее направлению, вызванное действием второй единичной силы, равно перемещению точки приложения второй единичной силы по ее направлению, вызванному действием первой единичной силы.
Теоремы о взаимности работ и перемещений имеют большое значение в общей теории исследования напряженного и деформированного состояния стержней, пластинок, оболочек и других конструкций. Их применение существенно упрощает решение многих задач строительной механики, а также, как уже отмечалось выше, производство опытов по определению перемещений.
