В механике нейтральная плоскость или нейтральная поверхность — это концептуальная плоскость внутри балки или консоли . При нагрузке изгибающей силой балка изгибается так, что внутренняя поверхность находится в состоянии сжатия , а внешняя — в состоянии растяжения . Нейтральная плоскость — это поверхность внутри балки между этими зонами, где материал балки не находится под напряжением , ни сжатием, ни растяжением. [1]
Поскольку на нейтральной плоскости нет продольной силы напряжения, нет также деформации или расширения: когда балка изгибается, длина нейтральной плоскости остается постоянной. Любая линия в пределах нейтральной плоскости, параллельная оси балки, называется кривой прогиба балки.
Чтобы показать, что каждая балка должна иметь нейтральную плоскость, можно представить, что материал балки разделен на узкие волокна, параллельные ее длине. Когда балка изгибается, в любом заданном поперечном сечении область волокон около вогнутой стороны будет находиться под сжатием, в то время как область около выпуклой стороны будет находиться под растяжением. Поскольку напряжение в материале должно быть непрерывным по всему поперечному сечению, должна быть граница между областями сжатия и растяжения, на которой волокна не имеют напряжения. Это нейтральная плоскость. [1]
Расположение нейтральной плоскости может быть важным фактором в монококовых конструкциях и сосудах под давлением . Если конструкция представляет собой мембрану, поддерживаемую ребрами прочности, то размещение кожи вдоль нейтральной поверхности позволяет избежать как сжимающих, так и растягивающих сил на нее. Если кожа уже находится под внешним давлением, то это уменьшает общую силу, которой она подвергается.
В конструкции подводных лодок это было важным, хотя и тонким, вопросом. Подводные лодки ВМС США Второй мировой войны имели корпусную секцию, которая была не совсем круглой, из-за чего узловая окружность отделялась от нейтральной плоскости, что приводило к дополнительным напряжениям. Первоначальная конструкция была каркасной изнутри: это требовало проб и ошибок в доработке конструкции для получения приемлемых размеров для реберных распорок . Конструктор Эндрю И. Макки на Портсмутской военно-морской верфи разработал улучшенную конструкцию. Разместив шпангоуты частично внутри корпуса, а частично снаружи, нейтральную ось можно было переставить так, чтобы она снова совпадала с узловой окружностью. Это не давало результирующего изгибающего момента на шпангоутах и, таким образом, позволяло создать более легкую и эффективную конструкцию. [2]
Свойство сохранять постоянную длину под нагрузкой использовалось в метрологии длины . Когда металлические стержни были разработаны в качестве физических стандартов для мер длины, они были откалиброваны как отметки, нанесенные на длину, измеренную вдоль нейтральной плоскости. Это позволило избежать незначительных изменений длины из-за провисания стержня под собственным весом.
Первые стандарты длины, использовавшие эту технику, представляли собой прямоугольные сплошные стержни. На каждом конце сверлили глухое отверстие на глубину нейтральной плоскости, и на этой глубине делали калибровочные отметки. Это было неудобно, так как невозможно было измерить непосредственно между двумя отметками, а только с помощью смещенного штангенциркуля, установленного в скважинах.
Более удобный подход был использован для международного прототипа метра 1870 года, бруска из сплава платины и иридия , который служил определением метра с 1889 по 1960 год. Он был сделан с расширенным H-образным поперечным сечением, называемым сечением Треска . Одна поверхность центральной перекладины H была спроектирована так, чтобы совпадать с нейтральной плоскостью, и калибровочные отметки, определяющие метр, были нанесены на эту поверхность. [4]
{{cite book}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )