Co to jest obciążenie ścinające?
Obciążenie ścinające to siła, która powoduje naprężenie ścinające po przyłożeniu do elementu konstrukcyjnego. Naprężenie ścinające, które jest siłą na jednostkę powierzchni, występuje w płaszczyźnie prostopadłej do normalnego naprężenia; powstaje, gdy dwie płaszczyzny tego samego obiektu próbują się prześlizgnąć obok siebie. Inżynierowie muszą obliczyć obciążenie ścinające konstrukcji, aby upewnić się, że nie ulegają one uszkodzeniom mechanicznym. Zbyt duże obciążenie ścinające może powodować podatność materiałów lub trwałe odkształcenie.
Normalne naprężenia występują, gdy materiał jest poddawany naprężeniu lub ściskaniu. W tym przypadku obie przyłożone siły są wzdłuż tej samej osi. Jeśli siły zostaną przyłożone wzdłuż różnych osi, oprócz normalnych naprężeń pojawią się naprężenia ścinające. Kwadratowy element materiału będzie podlegał siłom, które mają tendencję do wyginania go w równoległobok. Średnie naprężenie ścinające w materiale jest równe obciążeniu ścinającemu podzielonemu przez dany obszar przekroju.
Podczas gdy naprężenie ścinające jest siłą na jednostkę powierzchni, obciążenie ścinające ogólnie odnosi się tylko do samej siły. Dlatego odpowiednimi jednostkami są siła jednostek, najczęściej siła Newtona lub siła funta. Kiedy na ścinany materiał przykładane jest obciążenie ścinające, siła reakcji jest odpowiedzialna za utrzymanie materiału w miejscu. Ta siła reakcji stanowi „drugą” przyłożoną siłę; w połączeniu z siłą reakcji pojedyncza siła może powodować naprężenia ścinające.
Obciążenie ścinające jest ważne przy obliczaniu naprężeń w belce. Równanie wiązki Eulera-Bernoulliego wiąże obciążenie ścinające z ruchem zginającym w całej wiązce. Moment zginający jest momentem skręcającym, który powoduje ugięcie belki. Maksymalne dopuszczalne obciążenie ścinające na belce jest związane zarówno z materiałem, jak i geometrią belki - grubsze belki wykonane z mocniejszych materiałów mogą wytrzymać wyższe obciążenia ścinające.
Gdy siły powodują, że naprężenia wewnętrzne stają się zbyt duże, materiał ulegnie ugięciu. Plonowanie na stałe zmienia zrelaksowany kształt i rozmiar materiału, co ma miejsce, gdy materiał jest wolny od sił zewnętrznych. Spinacz do papieru można łatwo ręcznie doprowadzić do granicy plastyczności. Uzyskiwanie nie tylko zniekształca geometrię materiału, ale może również zwiększać podatność materiałów na pękanie. Zarządzanie tym ryzykiem ma kluczowe znaczenie dla inżynierów budownictwa i inżynierów mechaników.
Decyzja, które materiały są najsilniejsze lub mają najwyższą granicę plastyczności, jest łatwiejsza w drodze eksperymentu niż analizy teoretycznej. Powszechnie wiadomo na przykład, że stal może tolerować więcej naprężeń wewnętrznych niż aluminium. Wyjaśnienie, dlaczego tak jest, jest przedmiotem kilku konkurencyjnych teorii. Niektóre z tych teorii podkreślają naprężenie ścinające jako fundamentalne dla wyjaśnienia, kiedy materiały się poddadzą.