1. JÕUD
Jõud – on füüsikaline suurus millega mõõdetakse kehade vastastikust mõju . Jõudu mõõtühikusk on njuuton (tähistatakse N). Põhiliselt on jõuühikuks kilogramm ( kg) 1 kg = 9,81 N
1 N on jõud, mis 1 sekundi jooksul muudab 1 kg massiga keha kiirust 1 m/s võrra.
1 N on ligikaudu võrdne raskusjõuga, mis mõjub kehale massiga 0,1 kg ehk 1/9,8 kg = 0,102 kg
Kuna njuuton on liiga väike ühik ja seepärast teda inseneriarvutustes eriti ei kasutata. Ehituskonstruktsioonide arvutamisel asutatakse 10³ N = 1 kN
Pinnale mõjuva ühikuks on 1N/m²=1 Pa (paskal), mis vastab 0,1 mm vee samba rõhule. Arvutustes kasutatakse megapaskalit (MPa) MPa = 1N/mm²
Jõud esinevad alati paaris. Võivad olla võrdsed või ebavõrdsed, kas nähtavad või nähtamatud.Muutused avalduvad liikumises või keha kuju muutuses ( deformeerumisel).
Jõuga seotud valemid
Jõudu tähistatakse tähega F
Raskusjõud (N)
F = mg (1)
Kaal (N)
P = mg (2)
m - keha mass (kg)
g - keha raskuskiirendus 9,83 (m/s2)
Mehaaniline töö (J)
A = Fs (3)
s - teepikkus
Rõhk (Pa)
S - keha pindala (m2)
(4)
Archimedese ehk üleslükkejõud (N)
Fü = gVρ (5)
V - keha ruumala (m3)
ρ - keha erikaal e. tihedus (kg/m3)
Jõudude liitmine ja lahutamine
Jõuvektoreid liidetakse samade reeglite järgi nagu nihkevektoreidki. Kui punkt liigub edasi s1 võrra, siis sellest punkitst edasi s2 võrra jne. (Joonis 1a). Summaarne nihe resultantjõud s sulgeb sirglõiguna hulknurga. Sellist liitmisviisi nimetatakse geomeetriliseks liitmiseks.
Joonis 1
Lahutamine on liitmise vastandtehe. Siin leitakse resultantjõu s ja jõuvektori s2 geomeetriline vahe (Joonis 1b). Otsitava jõuvektori s2 vektori lähtepunktiks tuleb võtta lahutatava jõuvektori s1 lõpp. Ühtlasi võib jooniselt näha, et resultantjõud s on ka vektorite s2 ja s1 summa
Joonis 2
Joonisel 2 võib näha analoogset jõudude liitmist kooridnaatteljestikus. See on saavutatud jõude parlleellükkega. F1 jõuvektorina on parallelne joonega, mis on samuti F1-na kujutatud ainult peenjoonega. Ka pikkused on neil ühesuurused. Samamoodi on toimitud F2-ga.
Jõudude suunad
Jõul on alati olemas alguspunkt ehk rakenduspunkt. Samuti peame me teadma jõu suunda ja suurust. Sellest järeldame, et jõud on vektoriaalne suurus (vt. Joonis 1 ja 2)
Ehituse tugevusarvutustes näidatakse jõudude suundasid põhimõttelise skeemina, kus tavaliselt on tugedele toetuv tala (Joonis 3). Punktis A on paigalseisev liigendtugi ehk liikumatu. Punkti B tingmärk tähistab liikuvat tuge. See on vajalik joonpaisumise nähtuste juures.
Kuna ehitusukonstruktsioonid võivad olla üsna pikad, siis teatavasti materjal soojenedes paisub ja madalamatel temperatuuridel tõmbab kokku.
Ebameeldivate pingete vältimiseks, mis võivad kaasa tuua pragusid või koguni purunemisi. Seepärast on vaja eriti pikkadel ehitskonstruktsioonidel paisumiseks ruumi. Sellest tulenevalt peab konstruktsioon (tala, ferm jne) ühe toe peal pikisuunas liikuda saama.
F1 ja F2 on välised jõud, mis mõjuvad kandvale konstruktsioonile. Tugevusarvutuse ülesandeks on siin välja selgitada konstruktsiooni sees tekkivad jõud, mille kaudu on võimalik dimensioneerida (arvutada optimaalne suurus) konstruktsiooni mõõtmed. Näiteks tala ristlõige.
Ehituses peavad konstruktsioonid olema optimaalse suurusega, et ei tekiks põhjendamatud materjali ülekulu (kuna materjal on kallis). Lisaks eelnevale on veel oluline see, et ehitis ei läheks kaalult liiga raskeks, mis omakorda eeldaks suuremat ja kallimat alusvundamenti.
Joonis 3
Jõu õlg
Joonisel 4 näeme, kuidas toetuspunktist kaugemal olev jõud F2 suudab tasakaalustada endast suurema, kuid toetuspunktile lähemale oleva jõu F1 .
Joonis 4
Kui võidame jõus kaotame teepikkuses. Joonisel 5 võib nähea, et kangi tasakaalustamiseks peab toetuspunktile lähemal olev jõud F2 olema
suurem kui tasakaalustatava raskuse P poolt tekitatud jõud F1 .
Joonisel 5
Kangi kasutusviisi eesmärgiks on võita jõus, kuna kangi abil pikendatakse jõuõlga. Joonis 6 peal on näitatud jõuõlgade pikkused.
Joonis 6
Joonisel 7 on kujutatud olukorda sellisena, kui naela väljatõmbamiseks on valitud pikema varrega kang. Siin võime teepikkuste S1 ja S2 kaudu näha, et kangvarre pikenemisega pikeneb ka läbitav vahemik. Ehk võites jõus, pikendades jõuõlga a pikkuselt pikkuseni b, kaotasime samal ajal teepikkuses, kus S1<S2.
Joonis 7
Koolifüüsikast teame, et kehale mõjuva jõu suurus sõltub temale mõjuva jõu kaugusest vaadeldavast punktist (pöördteljest) ehk jõu õlast (vahemaast pöördteljeni). Vaadates ühte kindlat toetupunkti (Joonis 8), tekitavad jõud selle punkti suhtes pööravad jõud, kas siis päri- või vastupäeva. Vaadeldav punkt asub toel (pöördteljel), jõust F1 vaskul pool lõigu pikkuse a kaugusel ja jõust F2 lõigu pikkusel b kaugusel. Ühtlasi on kaugused a ja b vaadeldavast punktist jõu õlad. Jõud F1 koos jõu õla pikkusega a tekitavad jõumomendi. Samuti ja jõud F2 koos jõud õla pikkusega b tekitab vastassuunalise momendi. Et asi arusaadavam oleks, nimetatakse seda kellaosuti päripäeva liikumise suunaks (tekitab jõud F1) ja vastu kellaosuti liikumise suunaks ehk vastupäeva (tekitab jõud F2 ).
Joonis 8
Päripäeva suunaline jõumoment = F1*a (6)
Vastupäeva suunaline jõumoment = F2*b (7)
Σ M = 0 F1*a - F2*b = 0 (8)
Joonis 9
Päripäevasuunaline jõumoment = F2*b (9)
Vastupäevasuunaline jõumoment = F1*a (10)
Σ M = 0 F2*b - F1*a = 0 (11)
Kuigi tugedele toetuv tala on näidatud joonena võib ta olla ka külgsuunast vaadatuna plaat või paneel, mis toetub seintele.
Kehale mõjuvad välised jõud tekitavad kehas sisemisi jõudusid; tõmbe - ja survjõude. Allpool oleval Joonisel 10 on kujutatud talas välise jõu mõjul tekkivad sisemised jõud. Miinusmärkidega alal tekivad tala sees survejõud ehk see on survetsoon. Plussmärkidega alal aga tekkivad tala sees tõmbejõud, et tõmbetsoon. Näiteks, kui puit hakkab purunema mingi pealmise pinna suunast tuleva jõu tõttu, siis tähelepanelikult jälgides näeme, et siis algab see purunemine kõigepealt allpool olevast pinnast ehk tõmbetsoonist.
Joonis 10