УДК 539.3.6
ББК 30.121
Н16
Н16 Занимательная физика. Сопротивление материалов. Манга / Суэмасу Хироси,
Нагасима Тосио (авторы), Эммо Такэнава (худож.); пер. с яп.
А. С. Слащёвой. — М.: ДМК Пресс, 2018. — 220 с.: ил. — (Серия «Образовательная
манга»). — Доп. тит. л. яп.
Суэмасу Хироси, Нагасима Тосио
ISBN 978-5-97060-660-5
В этой манге рассказывается об одном из самых страшных предметов для
студентов – сопротивлении материалов.
Благодаря веселому сюжету читатели легко смогут понять, для чего нужны
векторы и точки опоры, зачем и как действуют разные силы и как покачаться
на качелях с великаном. Знание сопромата поможет дома повесить
вешалку для одежды и установить книжные стеллажи.
Девочки думают, что, расставляя книги, нужно думать о цвете и дизайне,
но мальчики должны подумать о том, чтобы книги не упали вам на голову.
А еще можно рассчитать прочность моста через реку или толщину стен
для университета.
Цель книги – заинтересовать школьников, студентов и просто пытливых
читателей изучить науку о сопротивлении материалов. Эти базовые знания
дадут толчок к дальнейшему пониманию мира физики.
УДК 539.3.6
ББК 30.121
Manga de Wakaru Zairyou Rikigaku (Manga Guide: Mechanics of Materials)
By Hiroshi Suemasu, Toshio Nagashima (Authors),
Original Japanese edition
Enmo Takenawa (Illustrator) and Office sawa, Ltd. (Producer)
Published by Ohmsha, Ltd.
Russian language edition copyright © 2018 by DMK Press
Все права защищены. Никакая часть этого издания не может быть воспроизведена
ф в любой форме или любыми средствами, электронными или механическими, включая
иотографирование, ксерокопирование или иные средства копирования или сохранения
Copyright © 2012 by Hiroshi Suemasu, Toshio Nagashima
and Office sawa, Ltd.
© Перевод, оформление, издание, ДМК Пресс, 2018
нформации, без письменного разрешения издательства.
ISBN 978-4-274-06875-1 (яп.)
ISBN 978-5-97060-660-5 (рус.)
Стр.5
содержание
ПРЕДИСЛОВИЕ ...........................................................................V
ГЛАВА 1
МЕХАНИКА ДЕФОРМАЦИИ ФИЗИЧЕСКИХ ТЕЛ ...................................... 1
1. Силы, которые прикладывают к физическому телу ....................................................2
Для чего нужны векторы? (Силы) ............................................................................2
Сила, которая действует вопреки (сила реакции) ...............................................5
Крепко держимся (точка опоры) ..............................................................................8
1 Н и 1 кгс - сколько это?............................................................................................. 11
Крутим туда-сюда (момент силы) ......................................................................... 12
Разговоры о качельках (основы момента) ............................................................17
2. О равновесии сил, действующих на тело ....................................................................... 19
Немного порисуем (силовая диаграмма свободных тел) ................................ 19
Одно уравновешивает другое (о силе и моменте силы) ...................................22
Трехмерность и степени свободы ..........................................................................27
3. Что можно сделать с палкой ........................................................................................... 29
Представим ластик (сила и деформация) ........................................................... 29
Давим (сила сжатия) ................................................................................................. 31
Тянем-потянем (сила растяжения)........................................................................32
Крутим (изгибающий момент и сила сдвига) .......................................................34
Крутим (крутящий момент) ..................................................................................... 38
VI
Стр.7
4. Приложение сил к телу и деформация .......................................................................... 40
Статические и нестатические задачи ................................................................... 40
Деформации и конечные деформации ................................................................. 44
Подробные расчеты (статически неопределимая задача) ....................... 48
ГЛАВА 2
МЕХАНИЧЕСКОЕ НАПРЯЖЕНИЕ ......................................................................49
1. Силы, работающие внутри тела ....................................................................................... 50
Взмах воображаемым ножиком
(внутренняя сила и воображаемое сечение) ...................................................... 50
2. Как проявляются внутренние силы? ............................................................................. 56
Что такое напряжение? (Механическое напряжение) ..................................... 56
Смотрим на направление (напряжение растяжения, напряжение
сжатия) ........................................................................................................................ 60
Напряжение, возникающее при сдвиге (сдвиговое напряжение) ................ 62
3. Откуда появляется напряжение .................................................................................... 66
Раскладываем вектор напряжения (нормальное напряжение
и касательное напряжение) ................................................................................... 66
Круги Мора ..................................................................................................................70
4. Напряжение разное в различных точках внутри тела ............................................... 74
Только не режь вдоль! (Как найти напряжение) ................................................ 74
Как выразить напряжение с помощью дельты? .................................................75
VII
Стр.8
ГЛАВА 3
О ДЕФОРМАЦИИ ..............................................................................................................79
1. Как подсчитать деформацию? ......................................................................................... 82
Что такое относительная деформация
(относительная деформация) ................................................................................ 82
Что бывает с длиной и диаметром при сжатии и растяжении
(нормальная деформация) ..................................................................................... 86
Деформация формы (сдвиговая деформация) .................................................. 89
2. Как рассчитать деформацию ........................................................................................... 92
Соотношение между кручением и сдвиговой деформацией .......................... 92
Изгиб и нормальная деформация ......................................................................... 96
ГЛАВА 4
ПРЕДЕЛ ПРОЧНОСТИ
И МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МАТЕРИАЛА ....................................... 105
1. Пропорция силы и деформации ...................................................................................... 106
Вещи, которые не ломаются (механические свойства материала) .............. 106
Перемещение и сила пропорциональны (закон Гука) ..................................... 108
Нормальная деформация и нормальное напряжение
(модуль Юнга)............................................................................................................110
Отношения сдвиговой деформации и сдвигового напряжения
(модуль сдвига) ......................................................................................................... 113
Как измерить свойства материалов ..................................................................... 115
2. Предельная сила ................................................................................................................ 117
Пределы (разрыв/разрушение) ............................................................................. 117
Можно ли вернуться в прошлое или нет?
(Упругость и пластичность) ...................................................................................119
Стандарты конструирования (текучесть и прочность) ................................... 122
3. Вязкие и хрупкие материалы ......................................................................................... 123
Эластичный, хрупкий? Пластичность и хрупкость .......................................... 123
VIII
Стр.9
ГЛАВА 5
КАК РАССЧИТАТЬ НАПРЯЖЕНИЕ ..................................................................127
1. Задачи на сжатие и растяжение стержня ................................................................... 130
Расчет удлинения и отношение между нагрузкой растяжения
и нормальным напряжением ................................................................................. 131
2. Задачи на кручение стержня ......................................................................................... 134
Расчет угла кручения и отношение между
крутящим моментом и силой сдвига ................................................................... 135
Что такое rdrdθ? (Как выразить элемент площади) ........................................ 143
3. Задачи на изгиб ................................................................................................................. 145
Расчет кривизны, связь между моментом изгиба и нормальным
напряжением ............................................................................................................ 146
ГЛАВА 6
ПРИМЕНЕНИЕ СОПРОМАТА ................................................................................ 159
1. Как сделать вещь, которая не сломается .................................................................... 162
Не поломаешь – не поймешь (процесс изготовления прочной вещи) .......... 162
Напряжение в бруске с квадратным поперечным сечением ........................ 164
Плюхнуться на скамейку (сила удара) ............................................................... 168
Расчет толщины скамейки ..................................................................................... 172
2. Как важна устойчивость к деформации ...................................................................... 180
Что такое жесткость? (Жесткость) ...................................................................... 180
Как сделать материал жестче (потеря устойчивости) ................................... 182
3. Насколько безопасна конструкция? ............................................................................. 186
Предвидеть невозможное (коэффициент запаса) ........................................... 186
Как снизить вероятность аварии ...........................................................................191
IX
Стр.10
ПРИЛОЖЕНИЕ .................................................................................................................203
Буквы греческого алфавита ................................................................................ 203
Приставки в соответствии с системой СИ.......................................................... 204
Значения моментов инерции сечения и моментов нагрузки
для разных видов сечений .................................................................................... 205
Подробные расчеты (статически неопределенная задача для балки) ...... 206
ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ .................................................................................208
X
Стр.11