Co to jest naprężenie ścinające? | Wszystkie ważne koncepcje

• Kiedy siła przenosi się z jednego ciała na drugie, ciało doświadcza sił równoległych do powierzchni, takie siły wytwarzają naprężenie ścinająces.
• Podczas projektowania produktu ważne jest, aby wiedzieć o naprężeniach ścinających działających na materiał. Zniszczenie przez ścinanie jest najczęstszą awarią, która występuje z powodu niewłaściwego uwzględnienia sił ścinających.

Definicja naprężenia ścinającego

• Gdy przyłożona siła jest równoległa / styczna do powierzchni przyłożenia, wówczas powstające naprężenie jest znane jako naprężenie ścinające.
• Tutaj przyłożenie siły jest styczne do powierzchni przyłożenia.
•  Składnik tensora naprężeń w kierunku równoległym do obszaru zastosowania.
• Naprężenie ścinające występuje również przy obciążeniu osiowym, zginaniu itp.

Wzór na naprężenie ścinające

 Naprężenie ścinające = siła przyłożona równolegle do powierzchni / powierzchni przekroju

Co to są jednostki naprężenia ścinającego?

Jednostką naprężenia ścinającego jest N / m² lub Pa.

W przemyśle jednostką używaną do pomiaru naprężenia ścinającego jest N / mm² lub MPa (Mega Pascal)

Symbol naprężenia ścinającego | Tau naprężenia ścinającego

Symbol używany do przedstawiania naprężenia ścinającego to τ (Tau). Jest również reprezentowany przez T.

Wykres naprężenia ścinającego

Notacja naprężenia ścinającego

• Symbol τ oznacza naprężenie ścinające.
• Aby pokazać przyłożoną siłę i kierunek obszaru zastosowania, stosuje się indeksy dolne z symbolem τ jako τ_ij.
• Gdzie i reprezentuje kierunek płaszczyzny powierzchni, na którą jest przyłożona (prostopadle do powierzchni), a j reprezentuje kierunek przyłożonej siły.
• Zatem τ_ij= Naprężenie ścinające działające na i-powierzchni w kierunku j.

          τ_ji= Naprężenie ścinające działające na powierzchnię j w kierunku i.

• Możemy to zapisać jako:

Kierunek naprężenia ścinającego

W 2 wymiarach:

• W postaci wektorowej naprężenie ścinające jest stosunkiem składowej równoległej siły przyłożonej do jednostkowego wektora normalnego pola powierzchni.

                  τ = F._‖ / DO

W 3 wymiarach:

• W nazewnictwie xy, które ma postać indeksu dolnego (konwencja indeksu dolnego), indeks x reprezentuje kierunek wektora prostopadłego do obszaru zastosowania, a y reprezentuje kierunek przyłożonej siły.
• Na poniższym rysunku jest on przedstawiony dla wszystkich trzech osi.

Każde z naprężeń ścinających można przedstawić w następujący sposób:           

Konwencja dotycząca znaków naprężenia ścinającego

Kiedy naprężenie ścinające jest przyłożone do powierzchni wzdłuż głównej osi, sąsiednia prostopadła oś doświadcza takiej samej wielkości naprężenia ścinającego w przeciwnym kierunku, znanego jako uzupełniające naprężenie ścinające, jak pokazano na rysunku:

• Naprężenie ścinające jest dodatnie, jeśli siła ścinająca przyłożona wzdłuż osi X jest we właściwym kierunku lub zgodnie z ruchem wskazówek zegara.

Podobnie naprężenie ścinające jest dodatnie, jeśli siła ścinająca przyłożona wzdłuż osi y jest skierowana do góry lub przeciwnie do ruchu wskazówek zegara.

• Naprężenie ścinające jest ujemne, jeśli siła ścinająca przyłożona wzdłuż osi X jest w kierunku lewym lub przeciwnym do ruchu wskazówek zegara.

Podobnie naprężenie ścinające jest ujemne, jeśli siła ścinająca przyłożona wzdłuż osi y jest skierowana w dół lub zgodnie z ruchem wskazówek zegara.

• Do reprezentowania naprężeń ścinających używane są połówki strzałek.

Odkształcenie przy ścinaniu

• Kiedy na powierzchnię przyłożone jest naprężenie ścinające, w materiale powstaje deformacja. Tak więc stosunek odkształcenia do pierwotnej długości prostopadłej do osi pręta jest znany jako odkształcenie przy ścinaniu. Jest oznaczony przez γ.
• Jest również definiowany jako styczna kąta odkształcenia ө.
• Odkształcenie przy ścinaniu = del l / h = styczna (Ө)

Naprężenie ścinające i odkształcenie przy ścinaniu

• Należy zauważyć, że odkształcenie przy ścinaniu zależy od naprężenia ścinającego. Relacja jest wyrażona jako

Moduł sztywności | Moduł naprężenia ścinającego | Moduł sztywności ścinania

• Stała proporcjonalności G jest znana jako moduł sztywności lub moduł naprężenia ścinającego lub moduł sztywności ścinania.
• A zatem,

     Moduł sztywności = naprężenie ścinające / odkształcenie przy ścinaniu

• W większości metali wartość G jest około 0.4 razy większa od modułu sprężystości Younga.

W przypadku materiałów izotropowych moduł sztywności i moduł sprężystości jest powiązany ze sobą zgodnie z

      Y = 2 * G * (1+ ʋ)

Gdzie Y = moduł sprężystości

             G = moduł sztywności

             = Współczynnik Poissona

Wytrzymałość na ścinanie

• Wytrzymałość na ścinanie to maksymalna wartość naprężenia ścinającego, która może wytrzymać zniszczenie z powodu naprężenia ścinającego.
• Jest to istotny parametr przy projektowaniu i produkcji maszyn.
• Przykład: Podczas projektowania śrub i nitów niezbędna jest wiedza o wytrzymałości materiału na ścinanie.

Naprężenie ścinające a naprężenie normalne

 Naprężenie ścinające od momentu obrotowego | Naprężenie ścinające spowodowane skręcaniem

• Moment obrotowy to obrotowa forma siły, która powoduje, że przedmiot obraca się wokół osi. Kiedy ten moment obrotowy jest przykładany do odkształcalnego ciała, generuje naprężenie ścinające w tym korpusie, powodując obrót tego ciała wokół osi, co jest znane jako skręcanie.
• Ten rodzaj naprężeń jest znaczący w wałach. Naprężenia lub odkształcenia wywołane w wale w wyniku tego skręcenia są rodzajami naprężeń ścinających.
• Odkształcenie ścinające powstające w następującym wale o promieniu r jest przedstawione w następujący sposób:

γ = rdө / dz

W ten sposób powstające naprężenie ścinające jest reprezentowane przez

Płyn do naprężeń ścinających

• Naprężenie ścinające wytwarzane w dowolnym materiale jest spowodowane względnym ruchem płaszczyzn względem siebie.
• Jeśli chodzi o płyn, w płynach występuje naprężenie ścinające w wyniku wzajemnego przemieszczania się warstw płynu. To lepkość powoduje naprężenia ścinające w płynie.
• Ze względu na naprężenie ścinające płyn nie może być zatrzymany w jednym miejscu.
• Zatem naprężenie ścinające wytwarzane w płynie jest równe  

Gdzie μ = lepkość dynamiczna

             u = prędkość przepływu

             y = wysokość nad granicą

• To równanie jest również znane jako prawo lepkości Newtona.

Przeczytaj Więcej Odkształcenie przy ścinaniu i wszystkie ważne fakty

Szybkość ścinania

• Szybkość ścinania to szybkość, z jaką jedna warstwa płynu przechodzi przez inną sąsiednią warstwę płynu; można się tego dowiedzieć, wykorzystując geometrię i prędkość przepływu.
• Lepkość płynu zależy głównie od szybkości ścinania płynu.
• Ten parametr jest bardzo ważny przy projektowaniu produktów płynnych, takich jak syropy, kremy z filtrem przeciwsłonecznym, balsamy do ciała itp.

Naprężenie ścinające a szybkość ścinania

• Szybkość ścinania definiuje się jako szybkość zmiany prędkości warstw płynu jedna na drugiej. W przypadku wszystkich płynów Newtona lepkość pozostaje stała, gdy następuje zmiana szybkości ścinania, a naprężenie ścinające jest wprost proporcjonalne do szybkości ścinania. 
• Poniżej przedstawiono graficzną reprezentację naprężenia ścinającego względem ścinania dla innego rodzaju płynu:

Naprężenie ścinające w belkach

• Jeśli Belka wspornikowa o średnicy d jest skręcona na swobodnym końcu, jeżeli skręcanie o wielkości T jest przyłożone do swobodnego końca, to naprężenie ścinające wytwarzane w belce.
• To naprężenie ścinające jest przedstawione w następujący sposób  

Naprężenie ścinające spowodowane zginaniem

• W idealnym przypadku naprężenie ścinające nie powstaje w wyniku zginania, ale w rzeczywistych warunkach naprężenie ścinające występuje w warunkach zginania.
• Zmienny moment zginający wzdłuż belki powoduje ruch jednej płaszczyzny na drugiej, ponieważ w belkach powstaje naprężenie ścinające.

Przeczytaj Więcej Moduł ścinania i moduł sztywności

Naprężenie ścinające w śrubach

• Śruby są używane głównie do mocowania dwóch różnych korpusów montażowych, takich jak złącza, dwie różne blachy, dwie różne rury zespołu itp.
• Śruba doświadcza obciążenia ścinającego lub siły ścinającej z powodu obecności dwóch różnych obciążeń działających w różnych kierunkach, co powoduje, że jedna płaszczyzna śruby ślizga się po drugiej płaszczyźnie śruby.
• ; Powoduje to zniszczenie przy ścinaniu w połączeniach, takich jak zawleczka, przegub kolanowy itp., Więc przy doborze materiału do różnych mechanizmów należy znać jego naprężenie ścinające.
• Podwójne naprężenie ścinające jest obliczane w śrubach.

Stal na naprężenie ścinające

• Stal jest jednym z metali najpowszechniej stosowanych we wszystkich gałęziach przemysłu. Od konstrukcji po maszyny, stal jest używana wszędzie. Dlatego maksymalna wartość naprężenia ścinającego stali jest istotnym parametrem podczas projektowania.
• Określa się ją na podstawie maksymalnej wytrzymałości stali na rozciąganie. von Missesa współczynnik służy do określenia maksymalnego naprężenia ścinającego. Stwierdza, że ​​maksymalne naprężenie ścinające jest 0.577 razy większe od wytrzymałości na rozciąganie.
• W wielu przypadkach uważa się, że jest to 0.5-krotność maksymalnej wytrzymałości stali na rozciąganie. 

Przeczytaj Więcej Jak obliczyć odkształcenie ścinające

Problemy naprężenia ścinającego

Subiektywne pytania

Co to jest naprężenie ścinające?

  Odp .: Kiedy przyłożona siła jest równoległa do powierzchni / obszaru zastosowania, wówczas powstające naprężenie jest znane jako naprężenie ścinające. Naprężenie ścinające jest składową tensora naprężeń w kierunku równoległym do obszaru zastosowania.

Co to jest uzupełniające naprężenie ścinające?

Odp .: Kiedy naprężenie ścinające jest przyłożone do powierzchni wzdłuż głównej osi, sąsiednia oś prostopadła doświadcza takiej samej wielkości naprężenia ścinającego w przeciwnym kierunku, znanego jako uzupełniające naprężenie ścinające

Jakie są konwencje znakowania naprężenia ścinającego? | Jak zdecydować o oznakach naprężenia ścinającego?

Odp .: Naprężenie ścinające jest dodatnie, jeśli siła ścinająca przyłożona wzdłuż osi X jest we właściwym kierunku lub zgodnie z ruchem wskazówek zegara.

Podobnie naprężenie ścinające jest dodatnie, jeśli siła ścinająca przyłożona wzdłuż osi y jest skierowana do góry lub przeciwnie do ruchu wskazówek zegara.

Naprężenie ścinające jest ujemne, jeśli siła ścinająca przyłożona wzdłuż osi X jest w kierunku lewym lub przeciwnym do ruchu wskazówek zegara.

Podobnie naprężenie ścinające jest ujemne, jeśli siła ścinająca przyłożona wzdłuż osi y jest skierowana w dół lub zgodnie z ruchem wskazówek zegara.

Jaki jest znak naprężenia ścinającego?

Symbol τ oznacza naprężenie ścinające. Aby określić kierunki przyłożonej siły i kierunek obszaru zastosowania, stosuje się indeksy z symbolem τ jako τij.

Jakie są przykłady ścinania?

Kiedy kawałek papieru zostanie przecięty nożyczkami.

Śruba i nakrętka mocno przymocowane płytkami.

Pocieranie dłoni o siebie

Każde tarcie prowadzi do ścinania.

Jaki jest przykład naprężenia ścinającego?

Malowanie ścian na kolor.

Żucie jedzenia pod zębami.

W stawach zawleczkowych i stawowych zawleczka i staw skokowy podlegają naprężeniom ścinającym.

Jak rozwiązujesz naprężenia ścinające?

Naprężenie ścinające = siła przyłożona równolegle do powierzchni / pola przekroju poprzecznego

Co powoduje naprężenie ścinające?

Kiedy siła przenosi się z jednego ciała na drugie, ciało doświadcza sił równoległych do powierzchni, takie siły powodują naprężenia ścinające.

Jaka jest różnica między naprężeniem ścinającym a siłą ścinającą?

Siła ścinająca to siła przyłożona równolegle lub stycznie do powierzchni płaszczyzny, podczas gdy naprężenie ścinające to siła ścinająca, której doświadcza powierzchnia płaszczyzny na jednostkę powierzchni.

Jaka jest różnica między naprężeniem ścinającym a szybkością ścinania?

Gdy przyłożona siła jest równoległa do powierzchni przyłożenia, wówczas powstające naprężenie jest znane jako naprężenie ścinające, podczas gdy prędkość ścinania jest szybkością, z jaką jedna warstwa płynu przechodzi przez inną sąsiednią warstwę płynu.   

Co to jest dodatnia siła ścinająca?

Naprężenie ścinające jest dodatnie, jeśli siła ścinająca przyłożona wzdłuż osi X jest we właściwym kierunku lub zgodnie z ruchem wskazówek zegara. Podobnie naprężenie ścinające jest dodatnie, jeśli siła ścinająca przyłożona wzdłuż osi y jest skierowana do góry lub przeciwnie do ruchu wskazówek zegara.

Co to jest średnie naprężenie ścinające?

Rzeczywiste naprężenie ścinające nigdy nie jest jednolite; jest różny dla różnych powierzchni przekroju jednostki. Tak więc, aby obliczyć to naprężenie ścinające, rozważane naprężenie ścinające jest średnim naprężeniem ścinającym.

Średnie naprężenie ścinające jest zawsze mniejsze niż maksymalne naprężenie ścinające dla danego obszaru przekroju.

Co to jest odkształcenie przy ścinaniu?

Kiedy na powierzchnię przyłożone jest naprężenie ścinające, w materiale powstaje deformacja. Zatem stosunek odkształcenia do pierwotnej długości prostopadłej do osi pręta nazywany jest odkształceniem ścinającym. Jest oznaczony przez γ.

Czy odkształcenie przy ścinaniu w radianach?

Nie. Odkształcenie przy ścinaniu to wartość styczna del l i h, która jest wielkością bez jednostek.

Pytania obiektywne:

Blok materiału o module sztywności na ścinanie G = 90 KPa jest przytwierdzony do dwóch sztywnych poziomych płyt. Dolna płyta jest zamocowana, podczas gdy górna płyta jest poddawana poziomej sile P. wiedząc, że górna płyta przesuwa się o 0.04 cm pod działaniem siły, jeśli wysokość bloku wynosi 2 cm, określ średnie odkształcenie ścinające w materiale.

1. 0.04 rad
2. 0.02 rad
3. 0.01 rad
4. 0.08 rad

Rozwiązanie: Opcja 2. Jest odpowiedzią.                

Blok materiału o module sztywności na ścinanie G = 90 KPa jest przytwierdzony do dwóch sztywnych poziomych płyt. Dolna płyta jest zamocowana, podczas gdy górna płyta jest poddawana działaniu siły poziomej P. wiedząc, że górna płyta przesuwa się o 0.04 cm pod działaniem siły, jeśli wysokość bloku wynosi 2 cm, znajdź siłę P wywieraną na górną płytę.

1. 180
2. 360
3. 720
4. 90

Rozwiązanie: Opcja 1. jest odpowiedzią.

Znajdź wartość naprężeń ścinających powstałych w sworzniu A dla mechanizmu korbowego dzwonka pokazanego na rysunku? Znajdź bezpieczną średnicę sworznia, jeśli dopuszczalne naprężenia ścinające dla materiału sworznia wynoszą 180 MPa.

1. 3mm
2. 4mm
3. 4.5mm
4. 5mm

Rozwiązanie: odpowiedź to opcja 4.

                   Naprężenia powstające w sworzniu to naprężenie ścinające i naprężenie łożyskowe.

                   Siła przy B = 5 * 0.1 / 0.15 = 3.33 KN

Biorąc pod uwagę podwójne ścinanie w A

Bezpieczna średnica sworznia jest większa niż 4.6 mm.

Które z poniższych podstawowych założeń nie jest brane pod uwagę przy obliczaniu równania skręcania dla elementu kołowego?

1. Materiał musi być jednorodny i izotropowy.
2. Płaszczyzna prostopadła do osi pozostaje płaska również po przyłożeniu momentu obrotowego.
3. Odkształcenie przy ścinaniu zmienia się liniowo od osi środkowej w okrągłym elemencie pod wpływem momentu obrotowego.
4. Materiał nie jest zgodny z prawem Hooke'a

Rozwiązanie: opcja 4.

WNIOSEK 

W tym artykule szczegółowo omówiono wszystkie pojęcia związane z naprężeniami ścinającymi. Podczas projektowania każdego produktu bardzo ważne jest, aby wiedzieć o naprężeniach ścinających.

Aby dowiedzieć się więcej o inżynierii mechanicznej Kliknij tutaj!

Podstawowe MŚP TechieScience

Zespół TechieScience Core MŚP to grupa doświadczonych ekspertów merytorycznych z różnych dziedzin nauki i techniki, w tym fizyki, chemii, technologii, elektroniki i elektrotechniki, motoryzacji, inżynierii mechanicznej. Nasz zespół współpracuje przy tworzeniu wysokiej jakości, dobrze udokumentowanych artykułów na szeroki zakres tematów naukowych i technologicznych dla witryny TechieScience.com.

Wszystkie nasze starsze MŚP mają ponad 7-letnie doświadczenie w odpowiednich dziedzinach. Są to albo pracujący profesjonaliści z branży, albo związani z różnymi uniwersytetami. Wspominać Nasi autorzy Strona, na której można poznać nasze podstawowe MŚP.