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文苑漫步:梁的彎曲問(wèn)題

2015-03-06 16:09  來(lái)自網(wǎng)絡(luò)  【  【打印】【我要糾錯(cuò)】

在《關(guān)于力學(xué)和局部運(yùn)動(dòng)的兩門(mén)新科學(xué)的對(duì)話和數(shù)學(xué)證明》一書(shū)中,伽利略討論的第二個(gè)問(wèn)題是梁的彎曲強(qiáng)度問(wèn)題。按今天的科學(xué)結(jié)論,當(dāng)時(shí)作者所得的彎曲正應(yīng)力公式并不完全正確,但該公式已反映了矩形截面梁的承載能力和bh2(b、h分別為截面的寬度和高度)成正比,圓截面梁承載能力和d3(d為橫截面直徑)成正比的正確結(jié)論。對(duì)于空心梁承載能力的敘述則更為精彩,他說(shuō),空心梁“能大大提高強(qiáng)度而無(wú)需增加重量,所以在技術(shù)上得到廣泛的應(yīng)用。在自然界就更為普遍了。這樣的例子在鳥(niǎo)類的骨骼和各種蘆葦中可以看到,它們既輕巧,而又對(duì)彎曲和斷裂具有相當(dāng)高的抵抗能力”。

梁在彎曲變形時(shí),沿長(zhǎng)度方向的纖維中有一層既不伸長(zhǎng)也不縮短者,稱為中性層。早在1620年荷蘭物理學(xué)家和力學(xué)家比克門(mén)(Beeckman I)發(fā)現(xiàn),梁彎曲時(shí)一側(cè)纖維伸長(zhǎng)、另一側(cè)纖維縮短,必然存在既不伸長(zhǎng)也不縮短的中性層。英國(guó)科學(xué)家胡克(Hooke R)于1678年也闡述了同樣的現(xiàn)象,但他們都沒(méi)有述及中性層位置問(wèn)題。首先論及中性層位置的是法國(guó)科學(xué)家馬略特(Mariotte E,1680年)。其后萊布尼茲(Leibniz G W)、雅科布·伯努利(Jakob Bernoulli,1694)、伐里農(nóng)(Varignon D,1702年)等人及其他學(xué)者的研究工作盡管都涉及了這一問(wèn)題,但都沒(méi)有得出正確的結(jié)論。18世紀(jì)初,法國(guó)學(xué)者帕倫(Parent A)對(duì)這一問(wèn)題的研究取得了突破性的進(jìn)展。直到1826年納維(Navier,C.-L.-M.-H)才在他的材料力學(xué)講義中給出正確的結(jié)論:中性層過(guò)橫截面的形心。

平截面假設(shè)是材料力學(xué)計(jì)算理論的重要基礎(chǔ)之一。雅科布·伯努利于1695年提出了梁彎曲的平截面假設(shè),由此可以證明梁(中性層)的曲率和彎矩成正比。此外他還得到了梁的撓曲線微分方程。但由于沒(méi)有采用曲率的簡(jiǎn)化式,且當(dāng)時(shí)尚無(wú)彈性模量的定量結(jié)果,致使該理論并沒(méi)有得到廣泛的應(yīng)用。

梁的變形計(jì)算問(wèn)題,早在13世紀(jì)納莫爾(Nemore J de)已經(jīng)提出,此后雅科布·伯努利、丹尼爾·伯努利(Daniel Bernoulli)、歐拉(Euler L)等人都曾經(jīng)研究過(guò)這一問(wèn)題。1826年納維在他材料力學(xué)講義中得出了正確的撓曲線微分方程式及梁的彎曲強(qiáng)度的正確公式,為梁的變形與強(qiáng)度計(jì)算問(wèn)題奠定了正確的理論基礎(chǔ)。

俄羅斯鐵路工程師儒拉夫斯基(ЖуравскийДИ)于1855年得到橫力彎曲時(shí)的切應(yīng)力公式。30年后,他的同胞別斯帕羅夫(ВеспаловД)開(kāi)始使用彎矩圖,被認(rèn)為是歷史上第一個(gè)使用彎矩圖的人。

責(zé)任編輯:Seazy
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