Nội lực là gì ? Các thành phần của nội lực

Nội lực là gì? Các thành phần của nội lực? Tác dụng của chúng? Các quy ước (kí hiệu, dấu, nêu biểu diễn chúng)?

Bạn đang có thắc mắc về nội lực cơ học vật liệu?

Chúng ta cùng nhau đi giải quyết câu bài tập này nhé. Let’s go.

1. Nội lực là gì?

Xét một vật thể chịu tác dụng của một hệ lực và ở trạng thái cân bằng như trên Hình 1.

Trước khi tác dụng lực, giữa các phân tử của vật thể luôn tồn tại các lực tương tác giữ cho vật thể có hình dáng nhất định.

Dưới tác dụng của ngoại lực, các phân tử của vật thể có khuynh hướng nhích lại gần nhau hơn hoặc tách xa. Khi đó lực tương tác giữa các phân tử của vật thể phải thay đổi để chống lại với khuynh hướng dịch chuyển này. Sự thay đổi của lực tương tác giữa các phân tử trong vật thể được gọi là nội lực.

Ngoài ra, các bạn có thể tham khảo Khái niệm về nội lực qua bài viết: BÀI TẬP XÁC ĐỊNH PHẢN LỰC LIÊN KẾT mở ra tab mới ĐỌC NGAY nhé.

Một vật thể không chịu tác động nào từ bên ngoài như ngoại lực, sự thay đổi nhiệt độ… thì được gọi là vật thể ở trạng thái tự nhiên và nội lực của nó được coi là bằng không.

Người ta dùng phương pháp mặt cắt để khảo sát nội lực trong một vật thể.

Xét lại vật thể cân bằng dưới tác dụng của ngoại lực trên Hình 1.

Tưởng tượng một mặt phẳng Π cắt qua và chia vật thể thành hai phần A và B; hai phần này sẽ tác động lẫn nhau bằng hệ lực phân bố trên diện tích mặt tiếp xúc theo định luật lực và phản lực.

Nếu ta tách riêng phần A thì hệ lực tác động từ phần B vào nó phải cân bằng với ngoại lực ban đầu như trên Hình 2.

2. Các thành phần của nội lực là gì?

2.1 Khảo sát các thành phần của nội lực

Khi đối tượng khảo sát là những chi tiết dạng thanh, đặc trưng bởi mặt cắt ngang (hay còn gọi là tiết diện) và trục thanh.

Ta có thể rời nội lực phân bố trên mặt cắt ngang của thanh về trọng tâm C của mặt cắt và thu được các vector hợp lực R và mômen M. Nói chung các vector R và M có phương bất kỳ trong không gian.

Giả sử định nghĩa một hệ trục tọa độ ngay tại trọng tâm mặt cắt, Xyz, sao cho trục z trùng với phương pháp tuyến của mặt cắt ngang, còn hai trục kia nằm trong mặt cắt ngang.

Khi đó ta có thể phân tích vector R ra ba thành phần theo ba trục:

• Thành phần theo phương trục z, ký hiệu Nz, gọi là lực dọc,
• Hai thành phần nằm trong mặt cắt và hướng theo trục x và y, ký hiệu là Qx và Qy, được gọi là lực cắt.

Vector mômen M cũng được phân tích ra ba thành phần quay quanh ba trục được
ký hiệu là Mx, My, và Mz. Các mômen:

• Mx và My được gọi là mômen uốn,
• Mômen Mz được gọi là mômen xoắn.

Sáu thành phần này được gọi là các thành phần nội lực trên mặt cắt ngang, được minh họa trên Hình 4.

Sáu thành phần nội lực trên một mặt cắt ngang được xác định từ sáu phương trình cân bằng độc lập của phần vật thể được tách ra, trên nó có tác dụng của ngoại lực ban đầu và các thành phần nội lực.

2.2 Sử dụng phương trình

Sử dụng các phương trình cân bằng hình chiếu các lực trên các trục tọa độ, ta được:

Trong đó: Pix, Piy, Piz – là hình chiếu của lực Pi xuống các trục x, y, z.

Dùng các phương trình cân bằng mômen đối với các trục tọa độ ta có:

Trong đó: mx(Pi), my(Pi), mz(Pi) – các mômen của các lực Pi đối với các trục
x, y, z.

Các thành phần nội lực có liên hệ với các thành phần ứng suất như sau:

• Lực dọc là tổng các ứng suất pháp.
• Lực cắt là tổng các ứng suất tiếp cùng phương với nó.
• Mômen uốn là tổng các mômen gây ra bởi các ứng suất đối với trục x hoặc
  y.
• Mômen xoắn là tổng các mômen của các ứng suất tiếp đối với trục z.

Nếu gọi σz, τzx, τzy, là các thành phần ứng suất tại điểm M(x,y) trên mặt cắt
ngang, ta có các biểu thức sau:

Trong đó: dF – là phân tố diện tích bao quanh ñiểm M(x,y).

Nhờ các quan hệ (H.2.3) mà có thể tìm được các thành phần ứng suất khi biết
các thành phần nội lực.

Trong trường hợp bài toán phẳng – ta chỉ có ba thành phần nội lực nằm trong mặt phẳng yz, bao gồm Nz, Qy, Mx.

2.3 Qui ước dấu các thành phần của nội lực

• Lực dọc được xem là dương khi có chiều hướng ra ngoài mặt cắt (nghĩa là gây kéo cho đoạn thanh đang xét).
• Lực cắt được xem là dương khi có khuynh hướng làm quay đoạn thanh
  đang xét theo chiều kim đồng hồ.
• Mômen uốn được xem là dương khi nó làm căng thớ dưới.
  

3. Tác dụng của nội lực

Như chúng ta đã thấy, nội lực được sinh ra khi có ngoại lực tác động vào.

Khi có tác dụng ngoại lực -> biến dạng -> Xuất hiện nội lực chống lại sự biến dạng.

4. Quy ước dấu các thành phần của nội lực

• Lực dọc: N>0 khi có chiều đi ra khỏi mặt cắt.
• Lực cắt: Q>0 khi có chiều đi vòng quanh phần thanh đang xét theo chiều kim đồng hồ.
• Momen uốn: M>0 khi làm căng các thớ dưới.

5. Đến lượt bạn

Bạn đã rõ phần nội lực chưa?

Các thành phần của nội lực thì thế nào? Có điều gì thắc mắc thì bạn hãy comment phía dưới bài viết nhé.

Đừng quên đăng kí kênh youtube LINH PRODUCTIONS để giúp Linh đạt 5K Subs và có thêm động lực viết bài viết hay hơn nữa nhé. Cám ơn bạn rất nhiều.