Удар (физич.)
Уда'р твёрдых тел, совокупность явлений, возникающих при столкновении движущихся твёрдых тел, а также при некоторых видах взаимодействия твёрдого тела с жидкостью или газом (У. струи о тело, У. тела о поверхность жидкости, гидравлический удар , действие взрыва или ударной волны на твёрдое тело и др.). Промежуток времени, в течение которого длится У., обычно очень мал (на практике от нескольких десятитысячных до миллионных долей сек ), а развивающиеся на площадках контакта соударяющихся тел силы (называются ударными или мгновенными) очень велики. Изменяются они за время У. в широких пределах и достигают значений, при которых средние величины давления (напряжений) на площадках контакта имеют порядок 104 и даже 105 кгс/см2 (1 кгс/см2 = 102 н/м2 ). Действие ударных сил приводит к значительному изменению за время У. скоростей точек тела. Следствиями У. могут быть также остаточные деформации, звуковые колебания, нагревание тел, изменение механических свойств их материалов и др., а при скоростях соударения, превышающих критические, — разрушение тел в месте У. Порядок критических скоростей для металлов » 15 м/сек (медь) — 150 м/сек и более (высококачественные стали).
Изменение скоростей точек тела за время У. определяется методами общей теории У., где в качестве меры механического взаимодействия тел при У. вместо самой ударной силы Р вводится её импульс за время У. t (так называемый ударный импульс S ). Одновременно, ввиду малости m , импульсами всех неударных сил, таких, например, как сила тяжести, а также перемещениями точек тела за время У. пренебрегают. Основные уравнения общей теории У. вытекают из теорем об изменении количества движения и кинетического момента системы при У. С помощью этих теорем, зная приложенный ударный импульс и скорости в начале У., определяют скорости в конце У., а если тело является несвободным, то и импульсивные реакции связей.
В случае соударения двух тел процесс соударения можно разделить на 2 фазы. 1-я фаза начинается с момента соприкосновения точек А и В тел (см. рис. ), имеющих в этот момент скорость сближения νAn — νBn , где νАn и νBn — проекции скоростей ν A и νB на общую нормаль n к поверхностям тел в точках А и В, называется линией удара. К концу 1-й фазы сближение тел прекращается, а часть их кинетической энергии переходит в потенциальную энергию деформации. Во 2-й фазе происходит обратный переход потенциальной энергии упругой деформации в кинетическую энергию тел; при этом тела начинают расходиться и к концу 2-й фазы точки А и В будут иметь скорость расхождения VAn — VBn . Для совершенно упругих тел механическая энергия к концу У. восстановилась бы полностью и было бы |VAn —VBn | = |νAn —νBn |, наоборот, У. совершенно неупругих тел закончился бы на 1-й фазе (VAn —VBn = 0). При У. реальных тел механическая энергия к концу У. восстанавливается лишь частично вследствие потерь на сообщение остаточных деформаций, нагревание тел и др. |VAn —VBn |< |νAn —νBn |. Для учёта этих потерь вводится так называемый коэффициент восстановления k, который считается зависящим только от физических свойств материалов тел:
В случае У. по неподвижному телуVBn
=νBn
=
0 и k
= – VAn
/νAn
.
Значение k
определяется экспериментально, например измерением высоты h,
на которую отскакивает шарик, свободно падающий на горизонтальную плиту с высоты Н;
в этом случае
где DT — потерянная за время У. кинетическая энергия системы, M1 и M2 — массы шаров. В частном случае при k = 1 и M1 = M2 получается V 1 = ν 2 и V2 = ν 1 , то есть шары одинаковой массы при совершенно упругом У. обмениваются скоростями; при этом DТ = 0.
Для определения времени У., ударных сил и вызванных ими в телах напряжений и деформаций необходимо учесть механические свойства материалов тел и изменения этих свойств за время У., а также характер начальных и граничных условий. Решение проблемы существенно усложняется не только из-за трудностей чисто математического характера, но и ввиду отсутствия достаточных данных о параметрах, определяющих поведение материалов тел при ударных нагрузках, что заставляет делать при расчётах ряд существенных упрощающих предположений. Наиболее разработана теория У. совершенно упругих тел, в которой предполагается, что тела за время У. подчиняются законам упругого деформирования (см. Упругости теория ) и в них не появляется остаточных деформаций. Деформация в месте контакта распространяется в таком теле в виде упругих волн со скоростью, зависящей от физических свойств материала. Если время прохождения этих волн через всё тело много меньше времени У., то влиянием упругих колебаний можно пренебречь и считать характер контактных взаимодействий при У. таким же, как в статическом состоянии. На таких допущениях основывается контактная теория удара Г. Герца. Если же время прохождения упругих волн через тело сравнимо со временем У., то для расчётов пользуются волновой теорией У.