Grundlagen der Mechanik: Kräfte, Materialeigenschaften und Strukturen

Grundlagen der Mechanik: Kräfte und Materialverhalten

Eine Kraft ist in der Lage, Maßnahmen zu erzeugen oder den Zustand der Ruhe oder Bewegung eines Körpers oder der produzierenden Stämme zu ändern. Die Einheit der Kraft im internationalen System der Messung ist das Newton (N).

Mechanische Eigenschaften von Werkstoffen

Die mechanischen Eigenschaften bestimmen das Verhalten von Werkstoffen, wenn ein oder mehrere Kräfte einwirken.

• Widerstand: Ist die Fähigkeit eines Materials, plastischen Kräften zu widerstehen, ohne sich übermäßig zu verformen oder zu brechen (z.B. Stahl, Holz).
• Zähigkeit: Ist die Eigenschaft, dass einige Materialien Kräften widerstehen, ohne zu brechen, auch bei wiederholter Belastung (z.B. Metall, Holz und einige Kunststoffe). Das Gegenteil ist die Eigenschaft der Sprödigkeit (z.B. Glas).
• Elastizität: Ist die Eigenschaft eines Materials, nach der Einwirkung von Spannungen seine ursprüngliche Form wieder anzunehmen, nachdem es verformt wurde (z.B. Gummi, Kautschuk).
• Plastizität: Dies sind Materialien, die sich permanent verformen können, ohne zu brechen (z.B. Ton, Argilla). Daraus ergeben sich zwei weitere Eigenschaften:
  • Duktilität: Ist die Eigenschaft bestimmter Materialien, sich dauerhaft zu dünnen Drähten zu verformen, ohne zu brechen.
  • Formbarkeit: Ist die Eigenschaft bestimmter Materialien, sich dauerhaft in Form von dünnen Blechen zu verformen, ohne zu brechen.
• Härte: Ist die Eigenschaft, die den Widerstand eines Materials gegen Eindringen oder Zerkratzen beschreibt.

Arten von Kräften und Beanspruchungen

Der Widerstand eines Objekts gegen eine bestimmte Beanspruchung hängt von drei Faktoren ab: Größe, Form und wie die Kräfte auf das Objekt wirken.

Grundlegende Beanspruchungsarten

• Zug (Traktion): Zwei entgegengesetzte Kräfte wirken auf einen Körper und neigen dazu, ihn zu ziehen oder zu dehnen.
• Druck (Kompression): Wenn die Kräfte auf ein Objekt in die gleiche Richtung wirken, aber entgegengesetzt sind: Sie neigen dazu, es zu zerdrücken oder zu verkürzen.
• Biegung (Flexion): Wenn Kräfte gegen die Längsachse eines Stücks wirken und dazu neigen, es zu verbiegen.
• Torsion: Wenn Kräfte eine Stelle drehen oder verziehen.
• Scherung oder Schneiden: Wenn die Kräfte groß genug sind und den Widerstand des Materials übersteigen.

Strukturen und Tragwerke

Strukturen sind Elemente, die so angeordnet sind, dass sie Kräfte tragen können. Es gibt zwei Haupttypen:

• Rüstung (Skelett): Starke Gruppe von miteinander verbundenen Elementen, die das Skelett verschiedener Objekttypen darstellen.
• Gehäuse (Ummantelung): Besteht aus miteinander verbundenen Blechen oder Platten, die die Aufgabe haben, etwas zu umgeben.

Entwurf und Materialien von Strukturen

Beim Entwerfen von Strukturen sind das Material und die Form am wichtigsten. Das Material sollte sehr widerstandsfähig sein. Formen sollten stabil sein, damit sie niemals versagen.

Metallische Strukturen

Die einfachste Form, die hohe Steifigkeit und Widerstandsfähigkeit bietet, ist die dreieckige Struktur. Strukturen werden grundsätzlich mit strukturellen gerollten Stahlprofilen realisiert. Gängige Profile sind: IPN, U, HEB, Winkelprofile (eckig) und T-Profile.