background image

METODY ENERGETYCZNE 

 
Wykorzystuje się je m.in. do wyznaczania niewiadomych w układach hiperstatycznych w 
zakresie stosowalności prawa Hooke’a. Stosowanie tych metod wymaga określenia energii 
sprężystej (potencjalnej) zgromadzonej w ciałach odkształconych. 
 
Odkształcenia sprężyste wywołują prace na przemieszczeniach poszczególnych punktów 
ciała. Praca ta jest miara energii która zmienia swoją postać. Podczas odkształcenia następuje 
zamiana energii jakiegoś układu zewnętrznego na energię potencjalną ciała odkształconego. 
 
 

 

 

V = L

  

 

– praca układu zewnętrznego 

 

 

 

 

 

 

V 

– energia sprężysta ciała odkształconego 

 
Przypomnienie wyrażeń na energię sprężystą dla: 
 

Rozciąganie 

 

  

A

E

l

P

V

A

E

l

P

V

P

L

2

2

2

 

Skręcanie   

 

0

2

0

2

2

J

G

l

M

V

J

G

l

M

V

M

L

S

S

S

 

Zginanie 

 

 

 

 

 

 

 

     

J

E

l

M

V

g

2

2

 

Ścinanie   

 

 

 

 

 

 

     

A

G

l

T

V

2

2

 

 
Dla pręta obciążonego obciążeniem złożonym zmiennym na długości l całkowitą energię 
sprężystą wyznaczymy z zależności: 
 

l

l

g

l

S

l

GA

dx

T

EJ

dx

M

GJ

dx

M

EA

dx

P

V

2

2

2

2

2

2

0

2

2

 

 
 

UKŁADY LINIOWO-SPRĘŻYSTE (UKŁADY CLAPEYRONA) 
 
Układy liniowo sprężyste są to takie układy materialne, w których przemieszczenia uogólnione 
dowolnego punktu wywołane działaniem na ten układ obciążeń uogólnionych, są jednorodnymi 
liniowymi funkcjami tych obciążeń. 
 

 

 

 

 = 

1

P

1

 + 

2

P

2

 + ......... + 

n

P

n

   

 

1

2

 ...... 

– liczby wpływowe 

 

Obciążenia uogólnione – dowolne obciążenia takie jak: siła skupiona, moment, obciążenie ciągłe 
Przemieszczenie uogólnione – takie przemieszczenie na którym obciążenie uogólnione 

wykonuje pracę. 

 
Układ Clapeyrona  powinien spełniać następujące warunki: 
 

1. 

Materiał liniowo-sprężysty. 

2. 

Układ powinien mieć wystarczającą liczbę więzów do zapewnienia równowagi. 

3. 

Działanie jednego z obciążeń nie może zmieniać działania innych obciążeń. 

4. 

Praca ewentualnych sił tarcia powinna być na tyle mała, aby można było ją pominąć. 

background image

Przemieszczenia uogólnione 
 
Jeżeli punkt A przyłożenia siły P przesunął się w nowe położenie A’ to do obliczenia pracy tej 
siły mnożymy jej wartość przez rzut u, całkowitego przemieszczenia na kierunek działania siły. 
 
u 

– przemieszczenie  odpowiadające sile skupionej 

 

 

 

 
 
 

 - przemieszczenie 

uogólnione 
odpowiadające 
momentowi  

 
 
 
 
 

Układ sił uogólnionych P

K

 (k=1, 2, ......n) 

działający 

na ustrój liniowo-sprężysty, powoduje powstanie 
przemieszczeń uogólnionych poszczególnych 
punktów tego ustroju. 
 
Przemieszczenie u

i

 dowolnego punktu i 

zależy od 

wszystkich sił układu i wyraża się wzorem: 
 

u

i

=

i1

P

1

 + 

i2

P

2

 + ....... + 

ik

P

k

 + .... + 

in

P

 

lub    

k

n

k

ik

i

P

u

1

 

 

gdzie     

i

 

k

 

– liczba wpływowa (przemieszczenie jednostkowe), określa w jakim stopniu dane 

obciążenie uogólnione wpływa na przemieszczenie punktu i

 

Energia sprężysta 

 

Praca sił uogólnionych   

k

n

k

ik

i

n

i

i

i

P

u

ale

u

P

L

1

1

2

1

 

 

 

więc   

i

k

n

i

n

k

ik

P

P

L

V



1

1

2

1

 

Energia sprężysta ustroju liniowo-sprężystego jest jednorodną kwadratową funkcją obciążeń

(Tw. Clapeyrona) 

Jeżeli siły P

i

 

wyrazimy przez odpowiadające im przemieszczenia u

i

 to: 

 

 

 

 

k

n

k

ik

i

u

a

P

1

 

 

oraz   

n

i

i

i

u

P

L

1

2

1

 

 

więc  

 

 

 

i

k

n

i

n

k

ik

u

u

a

L

V



1

1

2

1

 

Energia sprężysta jest jednorodną kwadratową funkcją przemieszczeń.  

A’ 

P

P

P

P

u

u

l’ 

 

background image

Twierdzenie o wzajemności prac i przemieszczeń 

Układ liniowo sprężysty obciążony układem sił 1, obciąża się dodatkowo układem sił 2

 

Suma prac wykonanych przez siły: 

 

 

L

11

 + L

22

 + L

12

 = V 

Przy zmianie kolejności obciążeń: 

 

 

L

22

 + L

11

 + L

21

 = V 

Po przyrównaniu: 

 

 

 

L

12

 = L

21

 

(

Twierdzenie Bettiego: 

Suma  prac  sił  układu  pierwszego  na  odpowiadających  im  przemieszczeniach 
wywołanych siłami układu drugiego, jest równa sumie prac układu drugiego na 
odpowiadających  im przemieszczeniach wywołanych siłami układu pierwszego
 

 

Gdy obciążeniem są tylko dwie pojedyncze 

siły P

1

 P

2

 

wówczas zgodnie z (

): 

 

 

P

u

12

 = P

u

21

 

gdy P

1

 = P

2

 to: 

 

 

    u

12

 = u

21

       (



Równanie (



) wyraża twierdzenie Maxwella: 

Jeżeli na układ liniowosprężysty działają dwie równe co do modułu uogólnione 
siły, to przemieszczenie odpowiadające pierwszej lecz wywołane przez drugą, 
jest równe przemieszczeniu odpowiadającemu drugiej, lecz spowodowanemu 
pierwszą siłą. 

 

Twierdzenie Castigliano: 

Pochodna  cząstkowa  energii  sprężystej  całego  układu  liniowosprężystego 
względem  jednej  z  niezależnie  działających  sił  obciążających  jest  równa 
odpowiadającemu tej sile przemieszczeniu. 

 

   

 

i

i

u

P

V

   

lub

 

 

i

i

P

u

V

 

Poch

odna cząstkowa energii sprężystej względem przemieszczenia równa się 

odpowiadającej mu sile. 

P

P

1

 

2

 

P

u

11 

u

21 

P

u

12 

u

22 

background image

Zastosowanie  twierdzenia  Castigliano  prześledzimy  na  prostym  przykładzie. 

Wyznaczymy ugięcie pod siłą P. 

Moment gnący w przekroju x: 

 

 

M

g

(x)= - 

P·x 

Energia sprężysta belki: 

 

l

g

l

g

EJ

dx

x

M

EJ

dx

M

U

0

2

0

2

2

)

(

2

 

Przemieszczenie u

P

 zgodnie z tw. Castigliano: 

P

EJ

dx

x

M

P

U

u

l

g

P

0

2

2

)

(

 

przy EJ = const 

 

 

dx

P

x

M

x

M

EJ

dx

P

x

M

x

M

x

M

EJ

dx

P

x

M

EJ

u

l

g

g

g

l

g

g

l

g

P

0

0

2

0

2

)

(

)

(

1

)

(

)

(

)

(

2

1

)

(

2

1

 

u nas 

 

EJ

Pl

dx

x

P

EJ

dx

x

x

P

EJ

u

i

x

P

x

M

l

l

P

g

3

1

)

)(

(

1

)

(

3

0

2

0

 

Załóżmy, że chcielibyśmy dodatkowo określić ugięcie i kąt obrotu dla x=0,5l.  Zakładamy, że 
w tym przekroju działają dodatkowo siła F

0

 i moment M

0

. (W rzeczywistości są to siły zerowe) 

 

Momenty gnące   

M

 I

= - Px 

 

 

 

M

 II

= - Px 

– F

0

(x 

– 0,5l) – M

0

 

ugięcie dla x = 0,5 l 

)

5

,

0

(

;

0

1

0

0

5

,

0

0

5

,

0

0

0

l

x

F

M

F

M

dx

F

M

M

dx

F

M

M

EJ

u

II

I

l

l

l

II

II

I

I

 

EJ

Pl

l

x

P

x

P

EJ

dx

l

Px

Px

EJ

dx

l

x

Px

EJ

u

l

l

l

l

l

l

48

5

4

3

1

)

5

,

0

(

1

))

5

,

0

(

(

(

1

3

5

,

0

2

3

5

,

0

2

5

,

0

 

natomiast kąt obrotu 

 

 

1

;

0

1

0

0

5

,

0

0

5

,

0

0

0

M

M

M

M

dx

M

M

M

dx

M

M

M

EJ

II

I

l

l

l

II

II

I

I

 

zatem 

 

EJ

Pl

x

P

EJ

Pxdx

EJ

dx

Px

EJ

l

l

l

l

l

l

8

3

2

1

1

)

1

(

1

2

5

,

0

2

5

,

0

5

,

0

 

Jak  widać  z  powyższego  przykładu,  zastosowanie  sił  zerowych  umożliwiło  określenie 
przemieszczeń w dowolnym przekroju belki.  

P

 

y

 

l

 

u

x

 

P

 

y

 

l

 

I

 

II

 

F

l/2

 

M

0

 

background image

Metoda Maxwella 

– Mohra 

Rozważmy dowolny płaski układ sił obciążony siłami w swej płaszczyźnie. W prętach siłami 
wewnętrznymi będą: N

i

, T

i

 i M

gi

Energię każdego pręta (ściślej każdego przedziału) wyrazimy: 

 

     

i

l

i

i

gi

l

i

i

i

i

i

i

l

i

i

i

ds

J

E

M

ds

A

G

T

ds

A

E

N

V

i

i

i

2

2

2

2

2

2

        

i

 

– wsp. zależny od kształtu przekroju 

Energia całego układu będzie suma:   

 

V = 

 V

i

 

Chcąc wyznaczyć przemieszczenie  w określonym miejscu i kierunku,  przykładamy tam siłę 
jednostkową F = 1 wywołującą siły wewnętrzne M’

g

, N’ i T’. 

przemieszczenie  

i

n

i

l

i

i

ig

gi

i

n

i

l

i

i

i

i

i

n

i

l

i

i

i

i

ds

J

E

M

M

ds

A

G

T

T

ds

A

E

N

N

F

V

f

i

i

i







1

'

1

'

1

'

 

W przypadku belek najczęściej U jest funkcją tylko M

g

, a w przypadku np. kratownic tylko N

Przykład. Wyznaczyć ugięcie f swobodnego końca belki metodą Maxwella-Mohra. EJ=const. 

Przedział   I  

0 ≤ x ≤ b 

M

g I

=0 

Przedział   II 

b ≤ x ≤ a+b 

 

2

)

(

2

b

x

q

M

II

g

 

Obciążamy  belkę  na  jej  końcu  siłą  P=1 
i wyznaczamy momenty n

ią wywołane 

 

x

x

P

M

I

g

'

 

 

x

x

P

M

II

g

'

 

Ugięcie 





b

b

a

b

I

g

I

g

dx

x

b

x

q

dx

M

M

EJ

f

0

2

'

)

(

2

)

(

1

)

4

3

(

24

2

)

(

1

3

2

b

a

EJ

qa

xdx

b

x

q

EJ

f

b

a

b

 

 

Całkowanie graficzne sposobem Wereszczagina 1924 – (chociaż znane od 1884) 

Całkę typu     

dx

x

f

x

f

b

a

)

(

)

(

2

1

 

(jeżeli  jedna  z  tych  funkcji  np.  f

2

(x)  jest  funkcją  liniową), 

możemy przedstawić jako iloczyn pola pod krzywą  f

1

(x)  i rzędnej funkcji  f

2

(x)  odpowiadającą 

położeniu środka ciężkości pola pod  f

1

(x). 

f

 

a

 

II

 

I

 

b

 

q

 

M

P=1

 

M’

background image

 

    W naszym przypadku mamy np. 

   

'

'

0

g

g

l

g

M

M

M

 

 

 

 

 

Przykład    Wyznaczyć kąt ugięcia belki w punkcie C. 

 



l

l

C

dx

M

M

dx

M

M

EJ

0

2

0

'

2

2

'

1

1

1

 

 

'

2

2

'

1

1

1

S

S

C

y

y

EJ

 

 

1

;

8

;

3

2

;

4

'

2

2

2

'

1

2

1

S

S

y

Pl

y

Pl

 

 

EJ

Pl

Pl

Pl

EJ

C

2

2

2

24

7

1

8

3

2

4

1





 

Metodę Maxwella-Mohra można wykorzystać do rozw. układów statycznie niewyznaczalnych 
Przykład   

 

rozw

iązanie:  

 analityczne,  

 

wykreślne 

R

H

 

– reakcja hiperstatyczna 

dx

M

M

EJ

f

g

l

g

H

'

0

1

0

 

 

'

'

0

S

g

l

g

y

M

M

 

M

g

 = R

H

 x 

 

 

1

=M l; 

2

=½R

H

l

M

g

 = 1 x 

 

 

y

S1

=l/2; 

y

S2

=⅔l 

l

H

dx

x

M

x

R

0

0

)

)(

(

 

0

3

2

2

1

2

2

2

l

l

R

l

l

M

H

 

0

2

3

0

2

3

l

H

x

M

x

R

 

2

3

1

2

3

l

M

l

R

H

 

l

M

R

H

2

3

   

 

l

M

R

H

2

3

 

M

M’

g

 

x

 

x

 

y

 

 

M’

x

S

 

l/2 

 

M

S

½Pl 

x

s1

=⅔l 

x

s1

=⅔½l 

K=1 

M’

M’

gS1 

M’

gS2 

S

R

M

 

l

 

P=1

 

R

H

M

 

l

 

l