Řešení: Kolejnici můžeme považovat za ideálně vetknutou tyč. Při ochlazení v ní vznikne tahové napětí, které eliminuje teplotní deformaci .
![]() |
![]() |
zpracoval:Miroslav Denk
Tyč sestavená ze dvou materiálů podle obr. 1 o teplotní roztažnosti: ,
je oboustranně vetknutá. Vypočtěte napětí v jejích jednotlivých částech, je-li
,
,
,
, ohřeje-li se celá o
.
Obr. 1
Řešení: Deformační podmínka pro výpočet síly je:
![]() |
tedy
![]() |
Odtud tlaková síla v tyči má velikost:
![]() |
Napětí v části je:
Napětí v části a
je:
zpracoval:Miroslav Denk
Tyč ve tvaru konického kužele podle obr. 1 je vetknutá a zatížená změnou teploty . Vypočtěte napětí v tyči. Dáno:
,
,
,
,
.
Obr. 1
Řešení: Kdyby tyč byla volná, prodloužila by se vlivem teploty o . V tyči vznikne tlakové napětí, které eliminuje toto prodloužení. Předpokládejme, že ve vetknutí vznikne reakce
, pak v místě vzdáleném o
od levého vetknutí bude napětí
![]() |
kde průřez
![]() |
Deformace v místě bude
a zkrácení elementu
bude
. Zkrácení tyče vlivem napětí musí být stejné, jako její prodloužení vlivem teploty.
![]() |
Z této rovnice vypočteme velikost tlakové síly a maximální napětí na levém konci tyče
.
zpracoval:Miroslav Denk
Mějme vetknutou tyč konstantního průřezu podle obr. 1, změna teploty bude nyní funkcí souřadnice
.
Obr. 1
Volné teplotní prodloužení elementu v místě
bude
![]() |
celkové volné prodloužení tyče vlivem teploty pak je
![]() |
Ve vetknutích vznikne tlaková síla F, která by zkrátila tyč o
![]() |
Prodloužení tyče od teploty a zkrácení vlivem reakce musí být stejné, sílu vypočteme z této podmínky
![]() |
zpracoval:Miroslav Denk
Ocelová tyč a měděná trubka stejné délky jsou spojeny tuhými čely podle obr. 1. Jaké napětí vznikne v jednotlivých částech, ohřejeme-li soustavu o teplotu ?
Obr. 1
Řešení: Teplotní roztažnost mědi je větší než teplotní roztažnost oceli (,
). Prodloužení obou částí však musí být stejné. V trubce vznikne tlakové a v tyči tahové napětí. Deformační podmínka je
![]() |
Výsledné síly, kterými trubka a tyč působí na tuhá čela musí být stejně velké, ale opačného smyslu
zpracoval:Miroslav Denk
![]() |
Z této podmínky rovnováhy a deformační podmínky, můžeme vypočítat napětí a
.
Dvě stejné tyče jsou spojeny tuhým členem podle obr. 1 a každá je celá ohřáta o jinou teplotu (,
). Jaké napětí vznikne v tyčích, jestliže tuhé čelo se nemůže natočit?
Obr. 1
Řešení: Po ohřátí tyčí bude čelo v pozici rovnoběžné s původní pozicí a posune se ve směru dolů o vzdálenost , která je rovna prodloužení tyčí. Na tyče působí osové síly
, jejichž moment
je v rovnováze s momentem sil
, které vznikají ve vedení. Z podmínky stejné délky tyčí po ohřátí
![]() |
vypočteme sílu
![]() zpracoval:Miroslav Denk |
Všechny pruty soustavy podle obr. 1 jsou ze stejného materiálu a mají stejný průřez. Jaké bude v jednotlivých prutech napětí, ohřeje-li se
a) celá soustava o
b) ohřeje-li se pouze prut 2 o
Obr. 1
Soustava je symetrická a 1-krát staticky neurčitá, tedy
![]() |
Rovnice rovnováhy styčníku A je
![]() |
Po deformaci styčník A zůstane na ose symetrie a deformační podmínka má tvar
![]() |
a) prodloužení prutů jsou
![]() |
![]() |
Z deformační podmínky
![]() |
a z rovnice rovnováhy vyjde
![]() |
resp. ,
b) Soustava je stále symetrická, prodloužení prutů jsou
![]() |
![]() |
Z deformační podmínky
![]() |
a z rovnice rovnováhy vyjde
![]() |
resp. ,
zpracoval:Miroslav Denk
Tyč obdélníkového průřezu podle obr. 1 je zatížena přírůstkem teploty, který má lineární průběh v závislosti na souřadnici z: . Dáno:
Určete napětí v tyči a deformaci tyče.
Obr. 1
Řešení:
![]() |
![]() |
![]() |
![]() |
V tyči nevznikne napětí (přírůstek teploty je lineární funkcí souřadnice ).
Diferenciální rovnice průhybové čáry
![]() |
![]() |
Průhybová čára je kružnice s poloměrem . Tyč se neprodlouží, neboť střední posuv průřezu je nulový:
![]() |
![]() |
zpracoval:Miroslav Denk
Tyč z příkladu 1. je zatížena přírůstkem teploty, který má parabolický průběh (obr. 1) v závislosti na souřadnici , určete napětí v tyči a její deformaci.
Obr. 1
Řešení:
![]() |
![]() |
![]() |
![]() |
Napětí má parabolický průběh (obr. 2). Tyč se neprohne, protože
Obr. 2
Osový posuv v místě
![]() |
střední osový posuv
![]() |
a celkové prodloužení tyče
![]() |
zpracoval:Miroslav Denk
Tyč z příkladu 1. je zatížena přírůstkem teploty s parabolickým průběhem podle obr. 1. Určete napětí v tyči a její průhyb.
Obr. 1
Řešení:
![]() |
![]() |
![]() |
![]() |
Průhyb nosníku je dán diferenciální rovnicí
![]() |
a po dosazení
![]() |
Průhybová čára tedy bude kružnice o poloměru
zpracoval:Miroslav Denk
Tyč z příkladu 1. je vetknutá na obou koncích podle obr. 1 a zatížena přírůstkem teploty
![]() |
Jaké napětí vznikne v tyči a jaká bude její deformace?
Obr. 1
Řešení: Tyč se neprohne, neboť z vetknutí se na ni budou přenášet ohybové momenty Napětí, které vznikne v tyči má lineární průběh
![]() |
zpracoval:Miroslav Denk
Tyč z příkladu 1. je vetknutá na levém konci a na pravém konci prostě podepřena. Průběh přírůstku teploty je lineární funkcí souřadnice . Určete napětí a deformaci tyče.
Obr. 1
Řešení: Stále pro průběh teploty platí
![]() |
V podpoře vznikne reakce , která bude bránit průhybu nosníku směrem vzhůru. Moment v obecném řezu je
![]() |
diferenciální rovnice má tvar
![]() |
a řešení
![]() |
![]() |
Velikost reakce a konstant
a
určíme z okrajových podmínek pro deformaci nosníku
![]() |
![]() |
![]() |
Odtud
![]() |
![]() |
Napětí v nosníku získáme superpozicí napětí v nosníku vetknutém na levém konci a zatíženém ohřevem (napětí nevzniká) a nosníku vetknutém na levém konci a na pravém konci zatíženém silou .
Maximální napětí je ve vetknutí
![]() |
zpracoval:Miroslav Denk
Nosník na třech podporách obdélníkového průřezu podle obr. 1 je zatížen přírůstkem teploty Určete napětí a deformaci nosníku.
Obr. 1
Řešení: Pokud je nosník uložen na dvou podporách A a C, napětí v něm nevznikne a vlivem přírůstku teploty se prohne do kružnice. Poloměr kružnice
![]() |
kde
![]() |
tedy
![]() |
Průhyb způsobený změnou teploty vypočteme pomocí obr. 2
![]() |
Protože platí, že , lze napsat
![]() |
![]() |
Obr. 2
Pro nosník zatížený silou rovnou reakci uprostřed je průhyb (obr. 3)
![]() |
Obr. 3
Z podmínky vyjde
![]() |
Maximální napětí je uprostřed nosníku:
![]() |
Průhyb bude stejný jako u nosníku v příkladu 5. Reakce je dvojnásobkem reakce
z příkladu 5.
zpracoval:Miroslav Denk
Mějme kompozitní nosník - tzv. bimetal - složený ze dvou částí z různých materiálů podle obr. 1. Určeme napětí a deformaci, ohřeje-li se celý nosník o teplotu . Předpokládejme stejný průřez obou částí, moduly pružnosti
a součinitele teplotní roztažnosti
Obr. 1
Řešení: Po zahřátí se nosník prohne, průhybová čára bude kružnice. Předpokládejme, že zakřivení společné plochy bude , dále předpokládejme, že vlivem ohřátí se společná plocha roztáhne v osovém směru o
Ve vzdálenosti z od této plochy bude osové prodloužení rovno (obr. 2)
![]() |
Obr. 2
Osové prodloužení v jednotlivých částech nosníku bude
![]() |
![]() |
dosadíme-li do levé strany těchto rovnic za máme pro napětí vztahy
![]() |
![]() |
Z podmínky rovnováhy sil v průřezu vyjde:
![]() |
Z podmínky rovnováhy momentů vyjde
![]() |
Do rovnic dosadíme vztahy pro napětí.
![]() |
![]() |
Z těchto rovnic vyjádříme prodloužení a zakřivení
společné plochy a po dosazení do vztahů pro napětí získáme napětí v každé části bimetalu.
Průhyb bimetalu závisí slabě na poměru , avšak je silně ovlivněn rozdílem teplotních roztažností
. Položíme-li přibližně
, pak dostáváme
![]() |
![]() |
a napětí budou
![]() |
![]() |
zpracoval:Miroslav Denk
Prutová soustava tvořená třemi pruty (obr. 1) je ze stejného materiálu () a stejného průřezu
. Určete jaká napětí vzniknou v prutech po zahřátí prutové soustavy o teplotu
. Soustava je opět symetrická. Výpočet pomocí deformační podmínky je uveden v kapitole Teplotní napětí v tyčích namáhaných na tah nebo tlak. , příklad 7.
Obr. 1
Doplňková deformační energie soustavy
![]() |
Podmínka rovnováhy je
Zvolme za staticky neurčitou sílu, pak platí
![]() |
určíme z podmínky rovnováhy
Po dosazení dostaneme rovnici
![]() |
ze které a z podmínky rovnováhy určíme
![]() |
![]() |
zpracoval:Miroslav Denk
Jaká napětí vzniknou v prutech soustavy (obr. 1), ohřeje-li se pouze prut 1. Soustava prutů již není symetrická a sestavení deformační podmínky by bylo pracné. Doplňková deformační energie soustavy je
![]() |
Obr. 1
kde stále platí rovnice rovnováhy a tedy . Zvolme
za staticky neurčitou veličinu, pak platí:
![]() |
![]() |
Odtud
![]() |
![]() |
zpracoval:Miroslav Denk
Nosník na třech podporách podle obr. 1 je ohřát o přírůstek teploty. (viz. příkladu 6.)
Obr. 1
Řešení: Ve střední podpoře vznikne reakce, která vyvolá ohybový moment
![]() |
Napětí v nosníku
![]() |
Doplňková deformační energie
![]() |
Platí
![]() |
kde
![]() |
Odtud
![]() |
zpracoval:Miroslav Denk
Příklad 5. z kapitoly (obr. 1) Přibližný výpočet teplotních napětí v nosnících lze řešit i pomocí Castiglianovy věty. Pro staticky neurčitou reakci platí
Obr. 1
![]() |
![]() |
![]() |
![]() |
Odtud
![]() |
zpracoval:Miroslav Denk
Tenká obruč je bez napětí vložena mezi dvě tuhé opory v bodech A a B podle obr. 1. Určete reakce v podporách po ohřátí celé obruče o teplotu . Dáno:
. Řešení je možné jen pomocí energetické metody. Příklad je 2-krát staticky neurčitý.
Obr. 1
Řešení:
1) V tomto případě použijeme vztah pro energii napjatosti U a deformační podmínku. Uvolníme-li obruč a zahřejeme-li jí o teplotu , změní se vzdálenosti
o přírůstek
. V podporách tedy musí vzniknout síly
, které by průměr obruče stlačily o tuto vzdálenost.
Deformační podmínka je
![]() |
kde je deformační energie.
Z podmínky rovnováhy podle obr. 2 vyjde
Obr. 2
je staticky neurčitý vnitřní moment, proto platí
![]() |
Energie napjatosti je
![]() |
kde
![]() |
2) Řešení pomocí doplňkové deformační energie . V tomto případě použijeme 2-krát větu o minimu deformační práce a bude platit
![]() |
Doplňkovou energii vypočteme z hustoty deformační energie
![]() |
![]() |
kde
![]() |
Do normálného napětí musíme zahrnout i vliv normálné síly v průřezu obruče (obr. 3).
Obr. 3
Parciální derivace jsou
Dostaneme soustavu dvou rovnic
![]() |
![]() |
Z první rovnice opět vyjde
zpracoval:Miroslav Denk
Volná tenká mezikruhová deska podle obr. 1 je zatížena přírůstkem teploty, který je lineární funkcí vzdálenosti od střední roviny . Určete napětí a deformaci desky.
Dáno:
a přírůstek teploty je
.
Obr. 1
Řešení:
Příčná síla v desce nevzniká:
Teplotní moment
Radiální a tečný moment v desce jsou
![]() |
![]() |
Radiální moment na okrajích desky je roven nule, tedy . Odtud vypočteme konstanty
![]() |
Křivosti desky po deformaci jsou
![]() |
Průhyb
![]() |
kde z okrajové podmínky vypočteme
![]() |
Průhyb desky na poloměru pak bude
Deska je bez napětí, pouze se prohne. Natočení desky na poloměru bude:
![]() |
zpracoval:Miroslav Denk
Deska z příkladu 1. je vetknutá na vnějším i vnitřním okraji (obr. 1). Jaká vzniknou v desce napětí? Průběh teploty je opět
Obr. 1
Řešení: Vzhledem k tomu, že nezávisí na poloměru, deska se neprohne. Tečné a radiální momenty budou stejné a konstantní
![]() |
zpracoval:Miroslav Denk
Deska z příkladu 1. je vetknutá na vnitřním okraji a na vnějším okraji je volná (obr. 1). Jaká vzniknou v desce napětí?
Obr. 1
Řešení: Na desku bude působit z vetknutí na vnitřním okraji radiální moment . Musí být tak velký, aby sám o sobě způsobil na poloměru a stejné natočení, jako vzniká v důsledku teplotního zatížení u volné desky - tedy (podle příkladu 1.)
![]() |
Pro a
při zatížení momentem
platí
![]() |
kde
Okrajové podmínky jsou
![]() |
Po dosazení do okrajových podmínek dostaneme konstanty
![]() |
Sklon tečné roviny je
![]() |
a na vnitřním okraji platí
![]() |
Ze srovnání obou natočení v místě vetknutí
![]() |
získáme velikost
![]() |
Radiální a tečný moment jsou
![]() |
zpracoval:Miroslav Denk
Deska z příkladu 1. je prostě podepřená na obou okrajích (obr. 1). Jaké vznikne napětí v desce?
Obr. 1
Řešení: Kdyby byla deska podepřená pouze na vnějším okraji, pak po teplotním zatížení bude bez napětí a průhyb na jejím vnitřním okraji bude podle příkladu 1.
![]() |
Je-li deska podepřena na obou okrajích, musí vnitřní podpora působit na desku celkovou silou , která by sama prohnula desku na vnitřním okraji o
Příčná síla v desce
Pravá strana diferenciální rovnice je
Vztah pro sklon tečné roviny je
![]() |
Konstanty určíme z okrajových podmínek
![]() |
Po dosazení
![]() |
![]() |
Průhyb desky
![]() |
Konstantu určíme z podmínky
- průhyb na vnějším okraji je roven
a odtud
![]() |
Po dosazení do vztahu pro průhyb
můžeme vypočítat průhyb
na vnitřním okraji. Z podmínky
dostaneme sílu
(reakci v podpoře). Po dosazení
do vztahů pro momenty dostaneme napětí v desce.
zpracoval:Miroslav Denk
Tenký ocelový kotouč podle obr. 1 je při počáteční teplotě bez napětí. Vnějšímu okraji kotouče je zabráněno v roztažení. Jaké napětí vznikne v kotouči, ohřeje-li se celý zvolna o teplotu
?
Dáno:
Obr. 1
Řešení:Kdyby byl kotouč volný, pak při ohřátí o teplotu by se každý jeho poloměr zvětšil o
, tedy poloměr
by se zvětšil o
. Tomuto rozšíření brání okolí kotouče, mezi kotoučem a okolím vznikne tlak
. Jeho velikost určíme z deformační podmínky
.
Obr. 2
![]() |
Napětí na vnějším okraji kotouče jsou (obr. 2)
![]() |
Odpovídající deformace je
![]() |
Z deformační podmínky
![]() |
vypočteme
Nejméně příznivá napjatost je jednoosá napjatost na poloměru . Napětí je rovno
zpracoval:Miroslav Denk
Tenký kotouč podle obr. 1 byl při teplotě bez napětí. Jeho čelní plochy jsou teplotně izolovány, ale nic nebrání v jejich volné dilataci. Tento kotouč byl zvolna zahřát tak, že vznikne ustálený tepelný stav, kdy na vnitřním okraji kotouče je teplota
a na vnějším okraji kotouče je teplota
. Jaké je napětí v kotouči?
Dáno:
Obr. 1
Řešení: V kotouči vzniká ustálené teplotní pole, které je osově symetrické, teplota se po tloušťce kotouče nemění. Jedná se o rovinnou napjatost - nevznikne osové napětí. Rovnice vedení tepla má v tomto případě tvar
![]() |
Za vztažný poloměr zvolíme vnější poloměr kotouče . Řešení této rovnice je funkcí teploty
![]() |
kde integrační konstanty a
určíme z okrajových podmínek pro vnitřní a vnější poloměr, tedy
![]() |
Odtud
![]() |
Diferenciální rovnice pro radiální posuv v případě rovinné napjatosti:
![]() |
Z homogenního řešení dostáváme známé vztahy pro napětí v rotačně symetrických tenkých kotoučích
![]() |
kde integrační konstanty a
určujeme z podmínek na okraji kotouče.
Diferenciální rovnici pro radiální posuv vynásobíme a dosadíme za funkci
. Na pravé straně dostáváme:
. Označme
. Partikulární řešení bude v tomto případě
![]() |
a napětí z tohoto řešení odvozená jsou
![]() |
![]() |
Sečtěme homogenní řešení a partikulární řešení a přidáme teplotní člen Dostaneme napětí
![]() |
![]() |
Integrační konstanty a
určíme z podmínek pro volné okraje:
![]() |
Po dosazení
![]() |
![]() |
Rovnice můžeme dále upravovat a konstanty A a B vyjádřit obecně pro tento typ zatížení a okrajových podmínek. Rozumnější bude v této fázi konstanty, které mají rozměr napětí, vypočítat numericky. Vyjde . Průběh radiálního a tečného napětí je na obr. 2. V tomto případě rovinné napjatosti nastane deformace v axiálním směru. Tloušťka kotouče se bude zvětšovat všude a nerovnoměrně v závislosti na poloměru.
Obr. 2
Kdybychom zabránili volné změně tloušťky kotouče, vzniklo by v kotouči osové napětí Předpokládejme, že změně tloušťky je zcela zabráněno vnější vazbou, pak
a jedná se o tzv. rovinnou deformaci. Určíme napětí
v tomto případě. Pro poměrné deformace máme nyní vztahy
![]() |
Z poslední rovnice získáme
Na pravé straně diferenciální rovnice pro radiální posuv je v případu rovinné deformace výraz
![]() |
Zde obdobně zavedeme
Z homogenního řešení rovnice máme opět
![]() |
![]() |
(konstanty a
mají jinou hodnotu, než
a
v předchozím řešení).
Partikulární řešení
dosadíme do vztahů pro radiální a tečné napětí (tyto vztahy platí pro rovinnou deformaci a jsou různé od vztahů pro napětí v předchozí části příkladu, kdy se jednalo o rovinnou napjatost):
![]() |
![]() |
K součtu jednotlivých částí napětí musíme ještě připojit teplotní člen :
![]() |
![]() |
Axiální napětí bude
![]() |
Z podmínek na okrajích kotouče určíme konstanty
a
, které dosadíme do vztahů pro napětí, pak
![]() |
Průběh napětí je na obr. 3.
Obr. 3
Pozn.: Vztahy pro napětí a
v případu rovinné deformace (kotouči je bráněno v dilataci tloušťky, tedy
) můžeme dostat přímo ze vztahů
a
pro rovinnou napjatost (volná dilatace tloušťky
), jestliže do nich dosadíme za Youngův modul
vztah
, za teplotní roztažnost
vztah
a za Poissonovu konstantu
vztah
. (Je třeba dosadit i do výrazu pro konstantu
.)
zpracoval:Miroslav Denk
Mějme dlouhý dutý válec s rozměry
, s počáteční teplotou
s ustáleným teplotním polem
,
(stejné parametry jako v příkladu 2.). Nic nebrání v jeho délkové dilataci.
. Jaká vzniknou ve válci napětí?
Obr. 1
Řešení: Jedná se o rovinnou deformaci, kdy v dostatečné vzdálenosti od konců je . Použijeme vztahy pro deformace při trojosé napjatosti a vypočteme axiální napětí
![]() |
![]() |
Ve vztazích pro napětí a
tedy přibude konstantní člen
Pravá strana diferenciální rovnice pro radiální posuv se nezmění, tedy
![]() |
Vztahy pro napětí jsou
![]() |
![]() |
a axiální napětí je
![]() |
Konstanty a
určíme z okrajových podmínek
![]() |
Odtud
![]() |
tedy (napětí budou stejná jako v předchozím příkladě)
a konstantu určíme z podmínky
Prodloužení válce bude
zpracoval:Miroslav Denk