Tugevusõpetus

Tugevusõpetus on teaduse ja tehnika haru, mis käsitleb arvutusmeetodeid tüüpiliste konstruktsioonielementide piisava tugevuse ja jäikuse saavutamiseks võimalikult ökonoomsel viisil.

Tugevusõpetuse eesmärgid

Erinevad käsitletavad kehad tugevusõpetuses: a) massiiv, b) koorik, c) kooriku erijuht - plaat, d) varras

Kõik masinad koosnevad detailidest ja ehitised konstruktsioonielementidest. Kasutamisel peavad mõlemad paratamatult taluma mitmesuguseid koormusi. Seejuures ei tohi detailid ja ehitustarindid oma ülesannete täitmise käigus

1. puruneda ehk olema piisavalt tugevad;
2. liialt deformeeruda (muuta oma kuju) ehk olema piisavalt jäigad;
3. olla liiga kallid (küllaldane jäikus ja tugevus tuleb saavutada võimalikult väikese raha kuluga) ehk peavad olema ökonoomsed.

Nende nõuete täitmiseks tehakse konstrueerimisel arvutusi, mille metoodika esitatakse tugevusõpetuses.

Kehasid, mis on detailideks ja ehitustarindite elementideks liigitatakse mitmeti. Vastavalt nende iseloomulike mõõtmete vahekorrale liigitatakse antud kehasid varrasteks, koorikuteks, massiivideks.

Ajalugu

Tugevusõpetuse kui teaduse alguseks peetakse tinglikult 1638. aastat. Sel aastal ilmus Galileo Galilei 1564–1642 esimene tugevusküsimuste teemaline trükis "Arutlused ja matemaatilised demonstratsioonid kahest uuest teadusest" (Discorsi e dimostrazioni matematiche, intorno a due nuove scienze). Kaks uut teadust, mida pealkirjas mainitakse, on teadus liikumatutest asjadest (s.o materjaliteadus) ja teadus liikuvatest asjadest. Selles võttis Galilei kokku oma uuringud pendlist, kaldpindadest ja vabast langemisest.

Samas võib tugevusõpetuse aluseid kujundasid oma 17. sajandil töödega teadlased Robert Hooke, Edme Mariotte, Jakob Bernoulli, Johann Bernoulli. Sel ajal nägi võimaldas tugevusõpetus siiski väheseid rakendusi. Tugevusõpetuse rakenduse algperioodiks võib pidada 18. sajandit. Sel ajal polnud tugevusõpetus veel iseseisev teadus ega õppeaine, vaid inseneriteaduse osa. Inseneriteaduse osana hakkasid teadmised materjali tugevusest seejuures laiemalt levima ja praktikas rakenduma. Tugevusõpetuse areng kiirenes käsikäes inseneride arvu kasvuga ja nende suurema panusega ehitustegevustes. Sel ajal ilmusid materjalide tugevuse uurijatest loodusteadlaste (Charles de Coulomb, Thomas Young) ja matemaatikute (Daniel Bernoulli, Leonhard Euler, Joseph Lagrange) kõrvale ka inseneride hulgast võrsunud teadlased. Tugevusõpetuse nimelise iseseisva teadusharu kujunemisajaks võib pidada alles 19. sajandit. Selle sajandi jooksul hakati tugevusõpetust õpetama kõikides arenenud maades. Tugevusõpetust õpetati samaaegselt loodud esimestes kõrgemates tehnika haridust andvates õppeasutustes. Arengu tõukejõududeks olid tekkinud tööstused, ehitustegevused ja uudsed taristu projektid, mis kõik nõudsid palju insenere. Tugevusõpetust arendasid sel ajal üha enam inseneri taustaga teadlased. Tuntuimad tugevusõpetust arendanud teadlased olid sel ajal Claude-Louis Navier, Adhémar Jean Claude Barré de Saint-Venant, Siméon Denis Poisson, Augustin-Louis Cauchy, Dmitri Žuravski, James Clerk Maxwell, Christian Otto Mohr. 20. sajandil eraldus teiste hulgas tugevusõpetusest elastsusteooria, ehitusmehaanika, raudbetooni tugevusõpetus. Sel ajal hakati tugevusõpetust oluliselt rohkem rakendama ka masinaehituses.

Arvutuskeem tugevusõpetuses

a – detaili joonis, koos mõjuva koormusega; b – detaili arvutusskeem tugevusõpetuses

Tugevusõpetuses püütakse hakkama saada lihtsa matemaatikaga, mis sunnib piirduma peamiselt varda tugevusprobleemidega. Nii nagu teisedki tehnikateadused, lihtsustab ja skematiseerib tugevusõpetus uuritavaid nähtusi. Jättes kõrvale tugevuse ja jäikuse seisukohalt väheolulised tegurid, kuid säilitades olulised, saadakse konstruktsiooni arvutusskeem.

Arvutuse objekt tugevusõpetuses on alati arvutusskeem. Tugevusõpetuses lihtsustatakse ka füüsikaliselt keerukaid omadusi. Olulise lihtsustusena loetakse aine detaili ulatuses pidevaks ning ühtlaseks.

Vaata ka

• Tugevusõpetuse mõisteid
• Normaalpinge
• Tangentsiaalpinge
• Pingeteooria