background image

POLITECHNIKA BIAŁOSTOCKA 
WYDZIAŁ MECHANICZNY 
KATEDRA MECHANIKI I INFORMATYKI STOSOWANEJ 

 
 
 
 
 

LABORATORIUM  MECHANIKI TECHNICZNEJ 

 

Kod:  

 

 
 

 
 

Instrukcja do ćwiczenia 

 
 

DOŚWIADCZALNE WYZNACZANIE SIŁY KRYTYCZNEJ 

PRZY WYBOCZENIU SPRĘŻYSTYM PRĘTA PROSTEGO 

 
 

 

 
 
 
 
 
 
 
 

Autor: ADAM TOMCZYK 

 
 
 
 
 

 
 
 

 

 

BIAŁYSTOK

 2011 

 

background image

 

 

Cel ćwiczenia 
 
 

Celem  ćwiczenia  jest  doświadczalne  wyznaczenie  wartości  siły  krytycznej  podczas 

ś

ciskania pręta smukłego i porównanie tej siły z  wartościami teoretycznymi. Badania należy 

przeprowadzić dla prętów wykonanych z co najmniej dwóch rożnych materiałów o znacznie 
różniących się właściwościach wytrzymałościowych.  
 
 
Podstawy teoretyczne 
 
 

Zagadnienie  wyboczenia  pręta  prostego  jest  przedstawicielem  szerszej  grupy 

zagadnień  związanych  z  tzw.  statecznością  ustrojów.  Zasadniczym  problemem  w  tego  typu 
zagadnieniach jest znalezienie wartości pewnej siły nazywanej siłą krytyczną, przekroczenie 
której  powoduje  utratę  stateczności.  Aby  fizycznie  przybliżyć  czytelnikowi  ten  problem 
rozważmy pręt pryzmatyczny o przekroju prostokątnym obciążony pewną osiową siłą P (zob. 
np. 

Niezgodziński T. i Niezgodziński M., 2004

). Rozpatrzmy sytuację, w której wartość siły 

P  jest  na  tyle  mała,  że  po  przyłożeniu  pewnej  siły  poprzecznej  Q  (patrz  rys.  1)  pręt  ulegnie 
wyboczeniu  jednak  po  usunięciu  tej  siły  powraca  do  swego  pierwotnego  prostoliniowego 
kształtu.  W  takiej  sytuacji  ustrój  nazywamy  statecznym.  Jeżeli  jednak  siłę  P  będziemy 
zwiększać to dojdziemy do sytuacji, w której po przyłożeniu poprzecznej siły Q pręt ulegnie 
wyboczeniu  jednak  po  jej  zdjęciu  już  nie  powróci  do  pierwotnej  prostoliniowej  postaci 
pozostając  w  stanie  równowagi  krzywoliniowej.  Oczywistym  jest,  że  taki  stan  jest  daleko 
bardziej niebezpieczny, gdyż jak łatwo zauważyć oprócz zagadnienia prostego ściskania pręta 
mamy  tez  do  czynienia  ze  zginaniem.  Omówiona  powyżej  sytuacja  utraty  stateczności 
dotyczy tzw. prętów smukłych kiedy siła ściskająca działa w osi pręta. W praktyce wykonanie 
pręta idealnie prostoliniowego jest w zasadzie niemożliwe. W takich przypadkach imperfekcji 
kształtu  należy  więc  mówić  o  mimośrodowym  ściskaniu  prętów  smukłych.  Tego  typu 
zagadnienia  również  zastały  już  dawno  rozwiązane  zaś  czytelnik  znajdzie  informacje  na  ten 
temat  w  odnośnej  literaturze  przedmiotu  (np. 

Niezgodziński  T.  i  Niezgodziński  M.,  2004

). 

Należy  także  przypomnieć,  że  zjawisko  wyboczenia  jest  groźne  jedynie  dla  tzw.  prętów 
smukłych.  W  przypadku  tzw.  prętów  krępych  nie  jest  ono  brane  pod  uwagę.  Oczywiście 
granica pomiędzy prętem krępym i smukłym jest umowna. 
 

 

 

 

 

Rys. 1. Schematyczne przedstawienie warunku 
równowagi 

prostoliniowej 

oraz 

utraty 

stateczności  przy  ściskaniu  pręta  smukłego 
(np. 

Niezgodziński  T.  i  Niezgodziński  M., 

2004

 

Rys. 2. Schemat rozpatrywanego zagadnienia 

 

background image

 

 

Wartość  wspomnianej  wcześniej  siły  krytycznej  można  określić  teoretycznie 

wykorzystując  równanie  różniczkowe  linii  ugięcia  pręta  wyprowadzone  przez  Eulera. 
Rozpatrzmy  zatem  pręt  pryzmatyczny  o  długości  l  podparty  przegubowo  na  końcach. 
Załóżmy, że mamy do czynienia z sytuacją, w której siła osiowa P osiąga wartość krytyczną 
P

kr

  powodującą  wyboczenie.  Uwzględniając  wprowadzony  na  rysunku  2  układ 

współrzędnych (x,y) równanie różniczkowe linii ugięcia przyjmuje postać: 

 

2

kr

2

d

d

y

EJ

P y

x

= −

(1) 

Dzieląc obie strony powyższego równania przez sztywność EJ i przekształcając otrzymamy: 

 

2

kr

2

d

0

d

P

y

y

EJ

x

+

=

(2) 

Wprowadźmy oznaczenie: 

 

2

kr

P

EJ

α

=

(3) 

wówczas równanie (2) przyjmie postać: 

 

2

2

2

d

0

d

y

y

x

α

+

=

(4) 

Tego  typu  równania  rozwiązujemy  poszukując  całki  szczególnej  mając  do  dyspozycji  całkę 
ogólną w postaci: 

 

cos

sin

0

y

C

x

D

x

α

α

=

+

=

(5) 

Stałe  C  i  D  znajdziemy  formułując  warunki  brzegowe  dla  rozpatrywanego  zagadnienia 
(patrz rys.  2).  Ponieważ  pręt  podparty  jest  na  obu  końcach  tj.  dla  x = 0  i  x = l  poziome 
przemieszczenie  w  tych  punktach  musi  być  równe  zeru,  zatem  warunki  brzegowe  są 
następujące: 

 

(

)

(

)

1)

0

0,

2)

0.

y x

y x

l

=

=

= =

 

(6) 

Korzystając  z  warunku  1)  tj.  podstawiając  x = 0  otrzymamy  C = 0.  Z  drugiego  warunku 
(pamiętając, że C = 0) dostaniemy: 

 

sin

0

D

l

α

=

(7) 

Równanie  (7)  jest  spełnione  w  dwóch  przypadkach.  Po  pierwsze  kiedy  D = 0  i  wówczas 
mamy  do  czynienia  z  trywialnym  zagadnieniem  kiedy  brak  jest  wyboczenia,  czyli  postać 
równowagi pręta jest prostoliniowa. Drugi przypadek dotyczy sytuacji gdy: 

 

sin

0

l

α

=

(8) 

Powyższe  równanie  jest  spełnione  dla 

α

l = 

π

n,  gdzie  n = 1, 2, 3  …  . Pamiętając,  że  

α

2

 = P

kr

/EJ mamy: 

 

2

2

kr

2

P

n

EJ

l

α

2

π

=

=

(9) 

background image

 

 

Zatem  wartość  siły  krytycznej  przy  której  może  nastąpić  utrata  stateczności  określamy  z 
zależności: 

 

2

2

kr

2

n

EJ

P

l

π

=

(10) 

Należy  się  jeszcze  zastanowić,  który  z  dwóch  głównych  momentów  bezwładności  J  należy 
uwzględnić  w  obliczeniach  –  J

min

  czy  J

max

?  Jeżeli  np.  rozpatrzymy  pręt  o  przekroju 

prostokątnym i wymiarach b 

×

 h, przy czym h > b, to w której z dwóch głównych centralnych 

płaszczyzn  bezwładności  pręta  nastąpi  wyboczenie?  Oczywiste  jest,  że  pręt  wyboczy  się  w 
płaszczyźnie  prostopadłej  do  dłuższego  z  boków.  Zatem  we  wzorze  (10)  należy  uwzględnić 
minimalny moment bezwładności: 

 

2

2

min

kr

2

n

EJ

P

l

π

=

(11) 

Zwróćmy teraz uwagę że dla różnych wartości n mamy różne wartości siły krytycznej tj.: 

 

dla n = 1:    

min

kr

2

EJ

P

l

2

π

=

 

(12) 

 

dla n = 2:    

min

kr

2

EJ

P

l

2

=

 

(13) 

 

dla n = 3:    

min

kr

2

EJ

P

l

2

=

 

(14) 

                                                     . . . itd. 

Pojawia  się  zatem  pytanie  jak  fizycznie  interpretować  te  różne  wartości  n  oraz  którą 
uwzględniać  w  obliczeniach.  Otóż  przyjęcie  n = 2  oznaczałoby  fizycznie,  że  pomimo 
przegubowego  podparcia  na  końcach  pręt  obciążony  siłą  osiową  wyboczy  się  w  sposób 
przedstawiony na rysunku 3b.  
 

 

a) 

b) 

c) 

             

            

 

Rys. 3. Interpretacja graficzna różnych wartości n we wzorze (11): a) n = 1, b) n = 2, c) n = 3 

 
Oczywiście taka sytuacja jest możliwa ale tylko wtedy gdybyśmy „pomogli” przyjąć prętowi 
taką  właśnie  postać  linii  wyboczenia.  Sprawa  nie  budziłaby  wątpliwości  gdyby  w  połowie 

background image

 

 

długości  pręta  umieścić  podporę  przesuwną.  Podobnie  gdy  przyjmiemy  n = 3  to  linia 
wyboczenia powinna wyglądać jak na rysunku 3c czyli tak gdyby co 1/3 długości podeprzeć 
pręt  podporami  przesuwnymi.  Tak  więc  w  przypadku  pręta  podpartego  przegubowo  na 
końcach  i  obciążonego  siła  osiową  jedyną  fizycznie  uzasadnioną  postacią  wyboczenia  jest 
postać przedstawiona na rysunku 3a. A zatem sens fizyczny ma jedynie wartość n = 1. 

Powyżej  przedstawiono  rozwiązanie  dla  konkretnego  przypadku  podparcia  pręta. 

Oczywiście  analogiczne  rozumowanie  możemy  przeprowadzić  dla  różnych  przypadków 
zamocowania.  Będzie  to  skutkowało  przede  wszystkim  innymi  niż  tu  wykorzystywane 
warunkami brzegowymi. Gdybyśmy taką analizę przeprowadzili okazałoby się, że zależność 
określająca siłę krytyczną zawsze ma postać: 

 

2

min

kr

2

w

EJ

P

l

π

=

(15) 

Przy  czym  wielkość  l

w

  jest  długością  wyboczeniową  pręta,  która  nie  zawsze  pokrywa  się  z 

długością rzeczywistą l i zależy tylko od warunków podparcia: 

 

w

l

l

µ

=

(16) 

Współczynnik 

µ

 dla wybranych sposobów podparcia zilustrowano na rysunku 4. 

 

 

Rys. 4. Współczynniki redukcyjne 

µ

 dla typowych warunków podparcia 

pręta (np. 

Niezgodziński T. i Niezgodziński M., 2004

 
Znajomość  siły  krytycznej  pozwala  na  określenie  naprężeń  krytycznych  panujących  w 
przekroju w chwili wyboczenia: 

 

kr

min

kr

2

w

P

EJ

A

Al

σ

2

π

=

=

(17) 

Odnajdując w powyższym wzorze minimalny geometryczny promień bezwładności: 

 

2

min

min

J

i

A

=

(18) 

możemy go przedstawić w postaci: 

 

2

min

kr

2

w

Ei

l

σ

2

π

=

(19) 

Pamiętając, że smukłość zdefiniowana jest jako: 

background image

 

 

 

w

min

l

s

i

=

(20) 

otrzymujemy ostatecznie: 

 

kr

2

E

s

σ

2

π

=

(21) 

Jak  wynika  z  powyższego  wzoru  Eulera  zależność  naprężeń  krytycznych  od  smukłości  ma 
charakter hiperboliczny (linia kropka-kreska na rysunku 5). Hiperbola ta jednak pokrywa się z 
rzeczywistą  krzywą 

σ

(s)  jedynie  od  pewnej  charakterystycznej  wartości  smukłości  zwanej 

smukłością graniczną s

gr

. Wartość smukłości granicznej zależy jedynie od rodzaju materiału i 

odpowiada ona granicy proporcjonalności zatem: 

  

( )

kr

gr

2

gr

E

s

s

σ

σ

2

π

=

=

(22) 

Smukłość graniczną określimy więc ze wzoru: 

 

gr

H

E

s

σ

= π

(23) 

 

 

Rys. 5. Interpretacja graficzna naprężenia krytycznego 
w  zakresie  sprężystym  i  sprężysto-plastycznym 
(np. 

Niezgodziński T. i Niezgodziński M., 2004

 

Jeżeli  smukłość  rzeczywista  pręta  określona  z  zależności  (20)  będzie  większa  od 

granicznej,  wówczas  wyboczenie  następuje  w  zakresie  liniowo-sprężystym  i  możemy 
stosować  zależności  (15)  i  (17).  Z  chwilą  gdy  smukłość  rzeczywista  jest  mniejsza  od 
granicznej  mamy  do  czynienia  z  wyboczeniem  sprężysto-plastycznym  i  musimy  korzystać  z 
innych  zależności.  Najczęściej  w  zagadnieniach  wyboczenia  sprężysto-plastycznego  stosuje 
się  teorie  Tetmajera-Jasińskiego  lub  Johnsona-Ostenfelda  (zob. 

Niezgodziński  T.  i 

Niezgodziński  M.,  2004

).  Zależność  Tetmajera-Jasińskiego  sugeruje  by  opisywać  sprężysto-

plastyczny  odcinek  na  krzywej 

σ

(s)  linią  prostą  (linia  kropkowa  na  rys.  5).  Linia  ta  łączy 

punkt  odpowiadający  granicy  plastyczności  R

e

  oraz  punkt  A  odpowiadający  granicy 

proporcjonalności 

σ

H

 

e

H

kr

e

gr

R

R

s

s

σ

σ

=

(24) 

background image

 

 

Inną propozycją opisu zakresu sprężysto-plastycznego wyboczenia jest propozycja Johnsona-
Ostenfelda  przybliżająca  ten  zakres  parabolą  (linia  kreskowa  na  rys.  5).  Wierzchołek  tej 
paraboli  przechodzi  przez  punkt  wytyczający  granicę  plastyczności  zaś  sama  parabola  jest 
styczna do hiperboli Eulera w pewnym punkcie B
 

2

2

e

kr

e

2

4

R

R

s

E

σ

π

=

 
Stanowisko do badań 
 
 

Przedmiotem badań są pręty pryzmatyczne 1 wykonane z dwóch różnych materiałów. 

Pręt  montowany  jest  w  podporze  stałej  2  i  ruchomej  3  w  sposób  przegubowy.  Obciążanie 
pręta  siła  osiową  odbywa  się  za  pośrednictwem  ramy  6  poprzez  umieszczanie  na  szalce 
uchwytu  5  ciężarków.  Pomiaru  przemieszczenia  (wyboczenia)  należy  dokonać  za  pomocą 
czujnika zegarowego 4
 
 

 

   

                             

 

Rys.  6.  Dwa  różne  widoki  stanowiska  pomiarowego:  1  –  badany  pręt,  2  –  przegubowa 
podpora  nieruchoma,  3  –  przegubowa  podpora  przesuwna,  4  czujnik  zegarowy,  5  –  uchwyt 
do montażu szalki z ciężarkami, 6 – rama układu obciążającego 

 

background image

 

 

Przebieg ćwiczenia 
 

1)

 

określić wymiary przekroju poprzecznego pręta oraz jego długość rzeczywistą, 

2)

 

zamocować pręt w uchwytach (podporach) przyrządu umożliwiającego realizację 

osiowego ściskania pręta, 

3)

 

sprawdzić prawidłowość podparcia oraz działanie czujnika zegarowego, 

4)

 

określić długość wyboczeniową pręta, 

5)

 

obciążać pręt umieszczając kolejne ciężarki na szalce przyrządu notując wskazania 

czujnika, 

6)

 

zaprzestać dalszego obciążania z chwilą gdy pręt zacznie się wybaczać nieprzerwanie 

bez dalszego zwiększania obciążenia (utraci stateczność), 

7)

 

wyniki pomiarów w postaci siły P

d

 oraz ugięcia f zestawić w tabeli 1. 

 
 
Opracowanie wyników pomiarów 
 

Tab. 1. Zestawienie wyników pomiarów 

materiał 1 

Materiał 2 

Nr 

pomiaru 

P

d

 [N] 

[m] 

P

d

 [N] 

[m] 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

… 

 

 

 

 

….. 

 

 

 

 

 
 

 

Rys.  7.  Orientacyjny  charakter  wykres  zależności  siła 
– przemieszczenie uzyskanych w doświadczeniu 

 
 

Na postawie wyników z tabeli 1 sporządzić wykresy zależności siła doświadczalna P

d

 

–  przemieszczenie  f  dla  prętów  wykonanych  z  dwóch  materiałów.  Określić  błąd  pomiędzy 
siłą wyznaczoną na drodze badań doświadczalnych a siłą określoną teoretycznie: 

 

d

kr

kr

kr

100%

P

P

P

=

(17) 

 

background image

 

 

Tab.  2.  Wartości  siły  krytycznej  dla  prętów  wykonanych  z 
dwóch różnych materiałów 

Materiał 

kr

[N]

P

 

d

kr

[N]

P

 

∆∆∆∆

 [%] 

materiał 1 

 

 

 

materiał 2 

 

 

 

 
 
Wnioski 
 

We  wnioskach  przedyskutować  między  innymi  ewentualne  przyczyny  powstawania 

różnic w wartościach siły teoretycznej i doświadczalnej. 
 
 
Literatura 
 
1.

 

Niezgodziński  M.E.,  Niezgodziński  T.,  Wytrzymałość  Materiałów,  PWN,  Warszawa 
2004. 

2.

 

Brzoska Z., Wytrzymałość materiałów, PWN, W-wa 1983. 

3.

 

Dyląg Z., Jakubowicz A., Orłoś Z., Wytrzymałość Materiałów t. I, II, WNT, W-wa 1997. 

4.

 

Walczak J., Wytrzymałość materiałów oraz podstawy teorii sprężystości i plastyczności, 
t. 1, 2, 3, WNT, W-wa 1977. 

5.

 

Zielenica J., Wytrzymałość materiałów, Wydaw. Polit. Poznańskiej, 1996. 

6.

 

Rajfert  T.,  Rżysko  J.,  Zbiór  zadań  ze  statyki  i  wytrzymałości  materiałów,  PWN, 
Warszawa1979. 

7.

 

Banasiak  M.,  Grossman  K.,  Trombski  M.,  Zbiór  zadań  z  wytrzymałości  materiałów, 
PWN, Warszawa 1992. 

 
 
Przykładowe pytania sprawdzające 
 
1.

 

Wyprowadzić  zależność  opisującą  linię  wyboczenia  sprężystego  pręta  smukłego  o 
długości rzeczywistej l dla dowolnego schematu podparcia pręta. 

2.

 

Zdefiniować  pojęcia  minimalnego  promienia  bezwładności,  smukłości  rzeczywistej  i 
smukłości granicznej pręta. 

3.

 

Scharakteryzować wyboczenie pręta w zakresie sprężysto-plastycznym. 

4.

 

Jak zmieni się smukłość pręta o długości 
rzeczywistej  l  jeżeli  warunki  jego 
podparcia  zmienimy  z  A  na  B  zaś 
wymiary 

przekroju 

poprzecznego 

wzrosną dwukrotnie. 

 

5.  Pręt  podparty  jak  na  rysunku  obciążono 

siłą  P.  Który  z  podanych  obok 
przekrojów  należałoby  dobrać  (i  dla-
czego)  aby  pręt  przeniósł  większe 
obciążenie.  Smukłość  pręta  jest  większa 
od granicznej. 

 

 

 


Document Outline