Antwort mit KI erzeugt
Fließgrenze ermitteln
Um die Fragen zu beantworten, müssen wir die Eigenschaften beider Stäbe detailliert betrachten und verstehen, wie die mechanischen Spannungen in den Stäben aufgrund der angelegten Kraft
F wirken.
a) Bei welcher Kraft Fmax und in welchem Stab wird die Fließspannung σF zuerst erreicht?
Die Spannung in einem Stab wird durch die Formel
σ=AF bestimmt, wobei
σ die Spannung,
F die Kraft und
A die Querschnittsfläche ist.
Da Stab 2 eine doppelte Querschnittsfläche von Stab 1 hat (
A2=2A), wird er bei derselben Kraft nur die Hälfte der Spannung von Stab 1 erfahren. Daher erreicht Stab 1 zuerst die Fließspannung
σF.
Die Kraft
Fmax, bei der die Fließspannung zuerst in Stab 1 erreicht wird, kann durch Umstellung der Spannungsformel bestimmt werden:
Fmax=σF⋅A1=σF⋅A
b) Bei welcher Kraft fließen beide Stäbe?
Um die Kraft zu bestimmen, bei der beide Stäbe fließen, nutzen wir wieder die Spannungsformel. Da beide Stäbe aus dem gleichen Material sind, müssen wir nach der Kraft
F suchen, die in beiden Stäben die gleiche Spannung
σF erzeugt.
Für Stab 2 gilt:
σF=A2F=2AF
Um die Fließspannung in beiden Stäben zu erreichen, muss die Kraft
F folgendermaßen sein:
F=σF⋅A2=σF⋅2A
Daher ist die Kraft, bei der beide Stäbe fließen,
F=σF⋅2A.
c) Wie groß ist die Verschiebung umax von C im Fall a)?
Die Verschiebung in einem Stab, der elasto-plastisch verformt wird, kann bei Erreichen der Fließgrenze durch Betrachtung des elastischen Bereiches bestimmt werden, da die Dehnung im plastischen Bereich nicht mehr linear abhängig von der Kraft ist und ohne spezifische plastische Eigenschaften schwierig direkt zu berechnen ist. Die Dehnung (
ε) im elastischen Bereich bis zur Fließgrenze ergibt sich aus:
ε=Eσ
Die Längenänderung (Verschiebung
u) für Stab 1, der die Länge
ℓ hat, bis zur Fließgrenze, kann mit folgender Formel berechnet werden:
u=ε⋅ℓ=EσF⋅ℓ=A⋅EFmax⋅ℓ
Setzen wir
Fmax=σF⋅A aus Teil a) in diese Gleichung ein:
umax=A⋅EσF⋅A⋅ℓ=EσF⋅ℓ
Zusammenfassend haben wir:
-
a) Die Kraft
Fmax=σF⋅A, bei welcher Stab 1 zuerst die Fließgrenze erreicht.
-
b) Beide Stäbe fließen bei der Kraft
F=σF⋅2A.
-
c) Die maximale Verschiebung von C im Fall a) ist gegeben durch
umax=EσF⋅ℓ.