Естественно-научные основы строительства. Физические основы

При физических процессах изменяется форма тела, его положение или его состояние. При работах на строительной площадке происходят такие изменения тел, которые могут быть измерены. Измерить можно, например, изменение длин, масс, времени и температуры. Форма может быть изменена, например, при изгибе арматурного стержня для железобетонной конструкции, который можно выполнить с помощью устройства для изгиба стальных стержней (рис. 1). Изменение положения происходит, например, при постройке стен, когда большеформатные камни укладываются слоями с помощью грузоподъемного устройства (см. рис. 1). Об изменении состояния вещества говорят, например, когда при увлажнении бетона после укладки вода, разбрызгиваемая по его поверхности, снова испаряется (см. рис. 1).

Рис.1. Физические процессы

Физические величины

Чтобы задать физическую величину, надо знать ее единицу измерения и числовое значение.

Физические величины состоят из произведения численного значения величины на ее единицу измерения.
Физическая величина = численное значение * единица измерения.

Численное значение показывает, во сколько раз физическая величина больше ее единицы.

ПРИМЕР: Длина l= 5 -1 м = 5 м, это значит, что длина стержня в 5 раз больше, чем единица длины 1 м.

Очень большие или очень малые числовые значения становятся более понятными и лучше читаемыми за счет краткого или полного обозначения приставок перед названием единицы (табл. 1).

Таблица 1. Основные приставки к обозначениям единиц измерения
Приставка	Сокращенное обозначение		Множитель(кратность)	Пример
Приставка	русское	международное	Множитель(кратность)	Пример
Мили-	м	m	10^-3	1 мм = 10^-3м = 0,001 м
Санти-	с	с	10^-2	1 см = 10^{-2 м} = 0,01 м
Деци-	Д	d	10^-1	1 дм = 10^-1 м = 0,1 м
Дека-	да	da	10	1 да = 10 л
Гекто-	г	h	10²	1 гл = 10²л = 100 л
Кило-	к	k	10³	1 кг = 10³г = 1000 г
Мега-	М	м	10⁶	1 МН = 10⁶Н = 1 000 ООО Н

Единицы физических величин, которые соответствуют основным единицам международной системы единиц СИ (Systeme Internationale d’Unites), представлены в табл. 2. Производные единицы можно вывести из основных в соответствии с физическими формулами, связывающими эти величины (табл. 3).

Таблица 2. Основные величины системы СИ и их единицы измерения
Основная величина	Единица измерения	Сокращенное
русское	международное
Длина	Метр	м	m
Масса	Килограмм	кг	kg
Время	Секунда	с	s
Электрический ток	Ампер	А	А
Температура	Кельвин	к	К

Таблица 3. Производные единицы в системе СИ и их связь с основными
Физическая величина	Единица измерения	Сокращенное обозначение		Связь с основными единицами
Физическая величина	Единица измерения	русское	международное	Связь с основными единицами
Сила	Ньютон	Н	N	1 Н = 1 кг*(м/c²)
Работа, энергия	Джоуль	Дж	J	1 Дж = 1 Н*м
Давление	Паскаль	Па	Ра	1 Па = 1 Н/м²
Мощность	Ватт	Вт	W	1 Вт = 1 Дж/с
Электрическое напряжение	Вольт	В	V	1 В = 1 Вт/А
Электрическое сопротивление	Ом	Ом	Q	1 Ом = 1 В/А
Частота	Герц	Гц	Hz	1 Гц= 1 1/с

ПРИМЕР: Производная величина — скорость — образована из основных величин — длины и времени: Скорость = длина/время. Производная единица измерения скорости образована из основных единиц — метра и секунды: Единица измерения скорости = метр/секунда.

Объем, масса, плотность, пористость

Объем (пространство) Каждое тело занимает определенный объем. Единица объема — кубический метр (м³), что соответствует кубику с длиной грани 1 м (рис. 2). Части кубического метра — это кубический дециметр (дм³), кубический сантиметр (см³) и кубический миллиметр (мм³). Для жидкостей в качестве единицы объема часто применяется единица литр (л).

Рис. 2. Тело объемом 1 м³

1 м³ = 1000 дм³
1 см³ = 1000 мм³
1 дм^{3<.sup> = 1000 см³}
1 дм³ = 1 л.

Масса Каждое тело имеет массу (количество материала). Единица массы тела — килограмм (кг). Это соответствует массе 1 дм³ ( = 1 л ) воды при 4 °С (рис. 3). Многократно увеличенный килограмм — тонна (т). Частями килограмма являются грамм (г) и миллиграмм (мг). 1 т = 1000 кг, 1 кг = 1000 г, 1 г = 1000 мг.

Рис. 3. Масса 1 л воды

Плотность Различные материалы одной и той же массы в большинстве случаев занимают разный объем. Различные материалы с одинаковыми объемами имеют в большинстве случаев различную массу (рис. 4).

Рис. 4. Сравнение различных материалов

Плотность р (читается «ро») какого-либо тела — это отношение его массы к его объему. Плотность = масса / объем: р = m/V; масса = объем * плотность: m=V*р; объем = масса / плотность: V=m/р,

где m — масса в г, кг, т; V — объем в см³, дм³, м³; р — плотность в г/см³, кг/дм³, т/м³.

Плотности строительных материалов даются как средние величины (табл. 4). У строительных материалов часто различают абсолютную плотность, объемную массу и плотность насыпи (рис. 5).

Рис. 5. Виды плотности

Таблица 4. Плотность (средние значения)
Материал	Плотность, кг/дм³
Свинец	11,3
Медь	8,9
Сталь	7,85
Цинк	7,1
Алюминий	2,7
Стекло	2,6
Железобетон	2,5
Стеновой полнотелый кирпич	1,8
Вода	1,0
Газобетон	0,8
Дуб (в воздушно-сухом состоянии)	0,67
Сосна (в воздушно-сухом состоянии)	0,47
Пенополистирол	0,02

Об абсолютной плотности говорят в случае материалов, которые не имеют пор и воздушных прослоек. Под объемной плотностью понимают плотность твердых материалов, имеющих поры и воздушные прослойки. Насыпная плотность или плотность насыпи — это плотность свободно насыпанного твердого материала, включая поры в материалах и пространство между частицами.

Пористость Многие строительные материалы содержат поры и поэтому называются пористыми. В зависимости от плотности в теле может быть много, мало или вообще не быть пор. Поры могут быть большими или маленькими, закрытыми или открытыми. Открытые поры связаны друг с другом тонкими трубочками. Поры возникают:

при образовании природных камней, например пемзы.

Поры образуются:

при нагревании, например, глины. Образующийся при этом водяной пар образует поры, например во вспученной глине;
при обжиге в искусственных камнях, когда подмешанные к смеси глины и суглинка материалы сгорают, образуя поры, как, например, у эффективного кирпича;
при химических реакциях газообразующих материалов, которые добавляются к известковым смесям с добавками, например при производстве пористого бетона, или газобетона.

Свойства пористого тела:

пористые строительные элементы более легкие, но не такие прочные, как непористые;
чем меньше пор имеет строительный элемент и чем они меньше, тем меньше теплопроводность этого элемента. Такие строительные элементы имеют хорошую теплоизолирующую способность;
если поры в строительном элементе содержат влагу вместо воздуха, то теплопроводность элемента увеличивается, снижается его теплоизолирующая способность.

В строительных материалах различают:

Пористость насыпи = пространства между гранулами строительного материала.
Собственная пористость зерен = пустоты в гранулах материала.
Пористость насыпи и собственная пористость зерен = этот строительный материал содержит как пустоты в гранулах материала, так и пустоты между гранулами (рис. 6).

Рис. 6. Виды пористости

Когезия, формы состояния, адгезия

Когезия Под когезией понимают силу, с которой молекулы внутри тела притягиваются друг к другу. Это называется силой сцепления внутри материала. Если, например, разрушать долотом каменную плиту, то это тело будет сопротивляться разрушению, проявлять когезию.

Формы состояния вещества Из-за различной по величине когезии возможны три состояния вещества:

твердое: молекулы остаются на месте, так как действует большая когезия;
жидкое: молекулы могут менять свое место, так как когезия мала;
газообразное: молекулы отрываются, так как когезия отсутствует. Обусловленное этим стремление газов увеличиваться в объеме называется расширением (рис. 7).

Рис. 7. Формы состояния вещества

Формы состояния вещества называют также агрегатными состояниями. Они могут переходить друг в друга при подводе тепла или при отъеме тепла.

Адгезия Под адгезией понимают силы сцепления молекул различных материалов. Ее называют также силой притяжения.

Адгезией объясняется, например, сцепление краски со стальной фермой. Также и в растворном шве на плоскостях соприкосновения камня и раствора имеет место адгезия, в то время как внутри красочного слоя или слоя раствора действуют силы когезии (рис. 8).

Рис. 8. Силы когезии и адгезии у различных материалов

Поверхностное натяжение, капиллярность

Поверхностное натяжение Силы когезии обусловливают сцепление молекул на поверхности жидкости. Эта силы называют силами поверхностного натяжения. Они проявляются, например, когда капли воды на поверхности сухого стекла остаются приблизительно шарообразными и не растекаются (рис. 9).

Рис. 9. Поверхностное натяжение

Каппилярность Под капиллярностью понимают подъем жидкостей в капиллярах (волосяных трубочках). Чем тоньше капилляры, тем выше поднимается жидкость кверху.

Так действуют молекулы жидкости, а именно их силы когезии и силы адгезии, со стенками сосудов. Если силы адгезии между жидкостью и стенками сосуда больше, чем силы когезии и сила притяжения земли, как, например, в случае воды, то жидкость будет подтягиваться кверху по стенкам сосуда (рис. 10). В строительстве действие капиллярности имеет большое значение. Пористые строительные материалы, такие как легкий бетон, стеновой кирпич, раствор, дерево и многие утеплители, всасывают воду (рис. 11). Это может привести к строительным повреждениям вследствие увлажнения строительных конструкций, как, например, высолы и разрушения вследствие замерзания, к коррозии и откалыванию штукатурки, краски и обоев, к образованию плесени и грибковых поражений, а также к уменьшению теплоизоляции и к ухудшению внутренней среды в помещениях.

Рис. 10. Капиллярность в различных трубочках

Рис. 11. Действие капиллярности в стеновом кирпиче после двухчасового всасывания воды

Механические свойства твердых тел

При применении твердых строительных материалов, а также при их переработке необходимо учитывать их механические свойства. При этом различают твердые и мягкие тела, вязкие и хрупкие, упругие и пластичные. Причиной этих свойств во многом являются силы когезии между молекулами материала.

Твердость Если материал может сопротивляться проникновению в него других тел, то он тверже, чем другие (рис. 12). Под твердостью понимают сопротивление материала, которое он создает при вдавливании или царапании его поверхности другим телом.

Рис. 12. Твердость

Оценка твердости материала проводится по шкале твердости Моса с помощью простого испытания на твердость методом царапания. Более мягкий материал будет царапаться более твердым. При этом различают степени твердости 1—10 (рис. 13). Для оценки различным минералам приписываются различные степени твердости.

Рис. 13. Шкала твердости по Мосу

Твердыми материалами, например, являются алмаз, твердые строительные материалы, например гранит, клинкерные стеновые камни. Твердые материалы применяются в основном для производства режущих инструментов и для деталей, подвергающихся особо сильному истиранию, как, например, ступени лестниц и полы в производственных зданиях.

Мягкость О мягкости материала говорят, когда его можно сжать с приложением небольшой силы или процарапать другим материалом. Мягкими материалами являются, например, свинец, гипс и вспененные синтетические материалы. Они применяются, например, там, где они как прокладка должны разделять два других материала от повреждения.

Вязкость (тягучесть) Под вязкостью понимают способность материала под воздействием изгибных, ударных и толчковых нагрузок хотя и поддаваться, но при этом не разрушаться (рис. 14). Вязкими являются такие материалы, как сталь, свинец, дерево, кожа и термопластичные пластмассы. Они в основном имеют волокнистое строение.

Рис. 14. Вязкость

Хрупкость Под хрупкостью понимают свойство материала под воздействием изгибающих, ударных и толчковых нагрузок не изменять свою форму, а сразу разрушаться (рис. 15). К хрупким материалам относится, например, стекло, природные камни, искусственные стеновые камни и бетон. Строение их в основном зернистое. Хрупкость материалов считается недостатком.

Рис. 15. Хрупкость

Упругость Упругость — это свойство материала позволять себя сжимать или растягивать, а после снятия нагрузки — возвращаться к первоначальной форме (рис. 16). Упругими материалами являются, например, резина и рессорная сталь, которые можно использовать для упругой звукоизоляции от корпусного шума. Также и различные сорта древесины являются более или менее упругими. Существуют материалы, которые при чрезмерной нагрузке не возвращаются в свою первоначальную форму, так как их предел упругости перейден. Такие материалы, как, например строительная сталь и дерево, могут нагружаться только ниже их предела упругости.

Рис.16. Упругость

Пластичность Пластичностью называют свойство материалов под воздействием нагрузки изменять свою форму и сохранять эту новую форму после снятия нагрузки (рис. 17). Пластичными можно называть такие материалы, как, например, глина, раствор, свинец и оконная замазка.

Рис. 17. Пластичность

Силы

На каждую строительную конструкцию действует большое число сил, таких, как силы сжатия и растяжения.

Понятие силы

Если потянуть рукой за спиральную пружину, то она удлинится на определенную величину. Этого же можно достигнуть, если подвесить на эту пружину определенный груз (рис. 18). В обоих случаях на пружину действует сила F, в данном случае как мускульная сила или вес груза. Она является причиной удлинения пружины. Если удлинения одинаковы, то и силы должны быть равны.

Рис. 18. Сила тяжести, мускульная сила

Единицей измерения силы в системе СИ является ньютон (Н). Десятичными кратными ньютону единицами являются деканьютон (даН), килоньютон (кН) и Меганьютон (МН).

1 даН = 10 Н, 1 кН = 1000 Н, 1 мН = 1000 кН.

Кроме мускульной силы и силы тяжести существуют еще и другие силы, например сила ветра, сила воды, магнитные силы, силы, создаваемые машинами.

Сила тяжести и вес тела

На массу тела воздействует масса Земли, создающая силу притяжения. Она называется силой тяжести F_G. Эта сила притяжения тем больше, чем больше масса тела и чем меньше расстояние до центра Земли. Сила тяжести тела задается в единицах сил Н, даН, кН или МН. Сила тяжести или вес тела (F_G) массой (м) в 1 кг составляет:

F_G = 9,81 Н = 10Н.

Вес тела измеряется с помощью пружинных весов (динамометра). Вес тела изменяется с удалением от центра Земли. При очень большом удалении он может стать равным нулю (состояние невесомости). При этом масса тела остается везде постоянной. Массы можно измерять с помощью рычажных весов. При этом масса какого-либо тела сравнивается с оттарированными образцами масс. Эти образцы масс называются также образцами веса. Поэтому в обиходе массу тела часто называют весом (рис. 19).

Рис. 19. Определение силы тяжести и массы

Действие и изображение сил

Сила всегда необходима для того, чтобы покоящееся тело привести в движение, ускорить движение тела или его затормозить или изменить направление движения. Для изменения формы тела также необходима сила. Действие силы зависит не только от ее величины, но и от ее направления и точки приложения. Если силы тяжести действуют всегда вертикально (см. рис. 19), у других сил возможны любые другие направления действия (см. рис. 20).

Рис. 20. Действие сил

Продление направления действия силы называют ее линией действия. Действие не меняется, если точка приложения силы перемещается вдоль ее линии действия (рис. 20). Силы изображают в виде стрелок (рис. 21). Длина стрелки показывает с помощью масштаба сил Мк (например, 1 см = 150 Н) величину силы. Направление стрелки обозначает направление силы.

Рис. 21. Представление сил на рисунке

Если на какое-либо тело действует сила, то возникает сила противоположного направления, как, например, при зажиме строительной стали в тисках. Силе F противодействует одинаковая по величине, но противоположная по направлению сила -F (рис. 22). Так как сила и противосила одинаковы по величине, то имеет место равновесие. Одинаковые по величине, но действующие в противоположных направлениях силы взаимно уничтожаются. Имеет место состояние равновесия. Тело остается в покое или находится в равномерном прямолинейном движении (см. рис. 22).

Рис. 22. Одинаковые по величине, противоположно направленные силы

Сложение и разложение сил

Две силы или несколько могут действовать по одной линии или под углом друг к другу.

Силы на одной линии действия Силы на одной и той же линии действия складываются, если они действуют в одном направлении, и вычитаются, если они действуют в противоположных направлениях (рис. 23). В качестве результата получают собственно действующую, результирующую силу F_R.

Рис. 23. Силы на одной линии действия

Сложение сил, действующих под углом друг к другу

В случае двух сил, действующих друг к другу под углом F1 и F2, например в подкосах стропил, можно величину и направление сил представить на чертеже в виде параллелограмма сил или с помощью треугольника сил (рис. 24).

Рис. 24. Сложение сил, действующих под углом

В параллелограмме сил результирующая сила Fr представлена в виде диагонали параллелограмма, в котором две стороны представлены силами F1*F2. В треугольнике сил обе отдельные силы F1 и F2 как силовые стрелки с их данными величинами и направлениями складываются. Если соединить начальные и конечные точки силовых стрелок, то получится результирующая сила FR (см. рис. 24).

Разложение сил Если необходимо силу FB разложить на две силы, действующие под углом, то их величины можно также получить с помощью параллелограмма сил или треугольника сил (рис. 25).

Рис. 25. Разложение сил

Клин С помощью клина можно увеличить действие силы. Клинья, например, применяются для раскалывания материалов и для подъема тяжелых грузов. Клин — это основная форма резца в режущих инструментах. Величины сил у такого клина можно с помощью параллелограмма сил изобразить на чертеже. При одностороннем клине действующая на клин ударная сила F1 превращается в значительно большую силу напряжения F2 (рис. 26).

Рис. 26. Односторонний клин

При двухстороннем клине действующая на клин ударная сила разлагается на две действующие перпендикулярно плоскостям клина расщепляющие силы. Величины расщепляющих сил зависят от угла клина и от силы удара (рис. 27).

Рис. 27. Двухсторонний клин

Наклонная плоскость Плоскость, наклонную к горизонтальной, называют наклонной плоскостью (рис. 28). По ней можно с относительно небольшим усилием F перемещать вверх большой груз F_G, т.е. поднимать на высоту h. Сила F зависит от угла наклона наклонной плоскости и величины груза F_G. При этом F_N — это сила, которой нагружается наклонная плоскость. «Сэкономленная» при применении наклонной плоскости сила должна выравниваться большей по сравнению с высотой подъема h длиной пути перемещения груза s.

Рис. 28. Наклонная плоскость

Рычаг, момент

Каждое тело, у которого сила создает вращательное движение, называется рычагом (рис. 29). Рычаг — это жесткое тело, вращающееся вокруг оси (точки вращения). Рычагами являются, например, ломы, гаечные ключи и клещи. Вращательное действие рычага называется моментом (М). Момент растет с длиной плеча рычага и с величиной силы, которая действует на рычаг. При этом плечо рычага — это перпендикулярное расстояние точки поворота от направления действия силы.

Рис. 29. Понятия рычага

Момент = сила х длина рычага: M = F*l,

где F — в Н; l — в м или в см; М — в Н*м или в Н*см.

На один рычаг действуют по меньшей мере два момента. Моменты могут быть либо вращающими в левую сторону (против часовой стрелки), либо вращающими в правую сторону (по часовой стрелке). В зависимости от положения моментов по отношению к центру вращения различают односторонний рычаг, например тачка (рис. 30), двухсторонний рычаг, например рычажные весы (рис. 31), и коленчатый рычаг, например гвоздодер.

Рис. 30. Односторонний рычаг

Рис. 31. Двухсторонний рычаг

Рычаг находится в равновесии, когда вращающий влево момент равен моменту, вращающему вправо (закон рычага).

Вращающий влево момент = вращающий вправо момент: М₁ = М₂; F₁*l₁ = F₂*l₂

Так как моменты у рычагов не всегда находятся в равновесии и создают вращательное движение, их называют также вращающими моментами.

Нагрузки на здание

На каждое строительное сооружение действуют многочисленные силы, например силы сжатия и растяжения. Эти силы нагружают строительное сооружение. Поэтому их называют нагрузками. Нагрузки происходят за счет самого сооружения и могут быть обусловлены внешними воздействиями. Различают постоянные нагрузки и временные нагрузки (рис. 32). Суммарная нагрузка q образуется из постоянной нагрузки g и временной нагрузки р.

Рис. 32. Нагрузки на здание

Суммарная нагрузка = постоянная нагрузка + временная нагрузка: Q = g + p.

Постоянные нагрузки — это длительно действующие на конструкцию неизменяющиеся нагрузки. К ним относятся:

собственный вес отдельных строительных элементов, например перекрытие, включая конструкцию пола, или колонна, включая штукатурку;
собственные веса других конструкций, которые действуют сверху и должны передаваться вниз, например нагрузка от крыши, перекрытой и стен;
давление грунта, например в подпорных стенах и стенах подвалов, или давление воды, например в плавательных бассейнах.

Временные нагрузки — это нагрузки, которые могут меняться по своей величине и могут быть подвижными и неподвижными. К ним относятся:

нагрузки от людей и оборудования, складируемых материалов и автомобилей;
ветер у зданий, создающий как силы давления, так и силы отсоса;
снеговые нагрузки, встречающиеся на крышах, террасах и балконах.

На балку могут действовать сосредоточенные силы. Сосредоточенная сила приложена к одной точке балки, обозначается буквой F и дается в кН. Но на балку могут действовать также равномерно распределенные нагрузки. Они могут действовать как по всей длине балки, так и на отдельной ее части. Равномерно распределенные нагрузки относятся к 1 м длины и даются в кН/м. Если равномерно распределенная нагрузка концентрируется в виде сосредоточенной силы в одной точке, то говорят о замененной нагрузке. Она действует для расчета опорных реакций (сил на опорах) как отдельная единичная нагрузка (рис. 33).

Рис. 33. Сосредоточенные нагрузки и равномерно распределенная нагрузка

Прочность и напряжение

Если сила действует на какое-либо тело, то это тело нагружено. Силы сцепления молекул внутри нагруженного тела (когезия) сопротивляются внешней силе. Чтобы все строительные конструкции могли выдержать действие на них внешних сил, они должны иметь соответствующую прочность. Под прочностью понимают силу тела, которая противодействует изменению формы и разрушению этого тела внешней силой. При действии внешней силы, например силы растяжения стального каната, тело будет находиться в напряженном состоянии, т.е. в состоянии внутреннего сопротивления разрыву. Оно тем больше, чем меньше нагружаемая площадь. В случае, например, сжатия или растяжения это называется напряжением σ (произносится «сигма»). Под напряжением понимают силу внутреннего сопротивления тела, отнесенную к площади его сечения.

Напряжение = сила/площадь поперечного сечения: σ = F/A,

где F — в Н, мН; А — в мм² или в м²; σ - в Н/мм² или в МН/м².

Напряжение в теле увеличивается с увеличением внешней нагрузки. Если нагрузка на тело, а следовательно, и напряжение в нем будут слишком велики, то тело разрушится. Достигнутое при разрушении тела напряжение называют разрушающим напряжением.

Строительные материалы можно нагружать только до определенного напряжения. Его называют допустимым напряжением — σ_доп. по соображениям безопасности существующее напряжение в материале (σ_сущ) должно быть меньше или равно допустимому напряжению (σ_доп ), т.е. σ_сущ ≤σ_доп. По виду нагрузки различают напряжения сжатия, растяжения, изгиба, среза, сдвига и кручения.

Сжатие

Если фундамент нагружен, например, весом стены дома, то он должен воспринимать силы сжатия. В фундаменте возникают напряжения сжатия. Прочность на сжатие у различных материалов различна. Она увеличивается при увеличении плотности и вязкости материала. Для восприятия сжимающих усилий подходят такие материалы, как сталь, бетон, природный камень, стеновые камни и дерево. Высокую прочность на сжатие должны иметь в основном фундаменты, несущие стены, опоры и колонны. Напряжения сжатия, которые должны восприниматься основанием (грунтом), называют напряжением в грунте (рис. 34).

Рис. 34. Напряжение сжатия и силы на опорах

Растяжение

Строительные конструкции, подверженные растяжению, это, например, анкеры растяжек, канаты растяжек, стальная арматура в железобетоне (рис. 35). Для восприятия таких напряжений применяют в основном сталь и дерево. Бетон и каменные материалы, напортив, не подходят для восприятия растягивающих усилий. Если строительные конструкции подвергаются растяжению, то в их поперечном сечении возникают растягивающие напряжения. Если сечение ослаблено сверлениями, отверстиями для цапф и т.п., то при расчете напряжения необходимо исходить из минимальной площади материала в сечении.

Рис. 35. Растягивающие напряжения в несущем канате (висячего моста)

Изгиб

Если силы действуют на балку перпендикулярно ее длине, то балка подвергается изгибу, т.е. она прогибается. Балки, у которых сечение расположено большей стороной вверх, более прочны на изгиб и лучше несут нагрузку, чем те, у которых сечение расположено большей стороной горизонтально (рис. 36).

Рис. 36. Положение сечения балок

При изгибе на одной стороне сечения балки возникают сжимающие усилия, а на другой стороне — усилия растяжения. В середине балки растягивающие и сжимающие силы взаимно уничтожаются. Эту область сечения называют нейтральной зоной или нулевой линией (рис. 37). Работающими на изгиб являются, например, балки, перекрытия, ригели, перемычки и стропила. Они должны делаться из таких материалов, которые могут воспринимать растягивающие усилия. Так как бетон не может воспринимать растягивающие усилия, то в бетонных конструкциях предусматриваются стальные включения, там, где появляются растягивающие усилия (рис. 38).

Рис. 37. Силы растяжения и сжатия при изгибающей нагрузке балки

Рис. 38. Стальная арматура в перекрытии, выступающем в виде консоли

Продольный изгиб

Если колонны, стойки и раскосы нагружены по их длине сжимающей нагрузкой, то они могут изгибаться в сторону (рис. 39). При этом они ломаются при превышении напряжений прочности продольного изгиба. Прочность на продольный изгиб зависит от материала конструкции, от формы поперечного сечения и от длины продольного изгиба. Нагруженными на продольный изгиб могут быть конструкции из стали, дерева, кирпичной кладки, армированного и неармированного бетона. Круглые и квадратные формы поперечного сечения конструкций являются наиболее целесообразными. Чем длиннее и тоньше, т.е. чем стройнее, стойка, тем быстрее она сломается под нагрузкой.

Рис. 39. Продольный изгиб в стойках

Срез

Накладные соединения, как правило, подвергаются нагрузке на растяжение (рис. 40). Появляющиеся при этом усилия могут срезать соединительный элемент, например болт, поперек его длины. Эти усилия называют усилиями среза, а их максимальное значение — прочностью на срез. Напряжения среза могут появляться в гвоздях, шурупах, болтах, заклепках и дюбелях.

Рис. 40. Срез

Сдвиг

Строительные конструкции, как, например, балки, ригели и перекрытия, при нагружении подвергаются не только изгибу, но и сдвигу. Если, например, положить три бруска друг на друга и нагрузить их на изгиб, то можно установить, что они сдвигаются относительно друг друга вдоль продольной оси по направлению к опорам. Если эти бруски склеить между собой и нагрузить их таким же образом, то сдвига этих брусков относительно друг друга не будет. При этом в клеевых соединениях возникают напряжения сдвига (рис. 41). В железобетонных балках для восприятия напряжений сдвига необходима особая арматура.

Рис. 41. Сдвиг

Кручение

Если шуруп вкручивается в дерево, то вдоль оси шурупа действуют вращающие вправо вкручивающие силы и вращающие влево силы трения (рис. 42). Эти действующие в противоположном направлении силы нагружают шуруп на кручение. Кручение возникает во всех телах, которые должны передавать крутящий момент поперек своей продольной оси.

Рис. 42. Кручение

Опрокидывание и скольжение

Если, например, подпорные стенки или стены нагружены силами, действующими сбоку, например давление земли, давление ветра или давление воды, то они не должны опрокидываться. Их устойчивость зависит от площади опорной части, от высоты и от собственного веса конструкции, а также от положения ее центра тяжести. Кроме того, под действием горизонтальных или наклонных сил такие конструкции не должны скользить по их основанию, например по грунту. Сила трения должна быть такой большой, чтобы конструкции не скользили (рис.43).

Рис. 43. Опрокидывание и скольжение

Давление в жидкостях и газах

Давление в жидкостях

Жидкость практически не сжимаема. Давление р, которое воздействует на закрытую в сосуде жидкость, распространяется по всем направлениям равномерно (рис. 44). Давление внутри жидкости везде одинаково.

Рис. 44. Давление жидкости

Давление = силе/площадь давления: р = F/A,

где F — в Н; А — в м², см² или мм²; р — в Па, барах, Н/м², Н/см², н/мм².

Единицами давления являются паскаль (Па) и бар:

1 Па = 1 Н/м₂; 1 бар = 100 ООО Па = 100 кПа = 0,1 МПа; 1 бар = 100 000 Н/м₂ = 10 Н/см₂ = 0,1 Н/мм₂.

Гидростатическое давление Если заполнять жидкостью сосуд, имеющий ряд отверстий, расположенных друг над другом, то можно установить, что эта жидкость будет вытекать из верхнего отверстия слабой струей, а из нижнего — сильной струей (рис. 45). Это говорит о том, что в нижней части сосуда имеет место более высокое давление, чем в верхней части. Этот прирост давления возникает потому, что с увеличивающейся высотой h столба жидкости и действующей вниз силы тяжести этого столба жидкости гидростатическое давление жидкости растет.

Рис. 45. Величины гидростатического давления

Под гидростатическим давлением понимают давление, создаваемое весом жидкости. В строительстве это гидростатическое давление необходимо учитывать там, где жидкости воздействуют на сооружение, например в плотинах и при укладке свежего бетона в опалубку.

Гидравлический пресс В гидравлическом прессе с помощью малой силы F1, которая действует на поршень в маленькой колбе с площадью давления А1, получается большая сила F2 в большой колбе с площадью давления^ (рис. 46). Отсюда следует, что

Р — F₁/A₁ или p=F₂/A₁ Передаточное отношение F₁/F₂ равно отношению площадей в колбах A₁/A₂, так как напряжения одинаковы.

Рис. 46. Гидравлический пресс

Давление в газах

Газы — это тоже тела, и они имеют вес. 1 м³ воздуха весит примерно 1,29 кг. Молекулы газа отталкиваются друг от друга. Поэтому газы занимают в отведенном для них пространстве весь объем и создают давление на плоскостях, ограничивающих это пространство. Между молекулами газа много свободного пространства. Поэтому газы можно легко сжимать. При сжимании газа температура его повышается.

Давление воздуха Земля окружена оболочкой из воздуха высотой около 500 км. Она называется атмосферой. С увеличением высоты она становится все тоньше. Масса воздуха, например на уровне моря, создает давление, зависящее от тяжести воздушного столба и при обычных атмосферных условиях составляющее 1 бар (атмосферное давление). Атмосферное давление тем меньше, чем выше местность над уровнем моря. Единицей давления воздуха является гектопаскаль (гПа). 1 бар = 1000 гПа.

Давление газов В технике измеряется не давление относительно безвоздушного пространства, т.е. абсолютное давление ря6с, а давление относительно существующего в данный момент атмосферного давления рятм. Если в закрытом сосуде давление газа больше атмосферного, то говорят об избыточном давлении ре. Избыточное давление ре — это разница между абсолютным давлением ps6c и имеющим место атмосферным давлением р.пг1 (рис. 47). Таким образом, P_e=P_абс-P_атм.

Рис. 47. Давление газов

Если в сосуде давление меньше атмосферного, то имеет место отрицательное избыточное давление (разрежение). Применяемые единицы: F — в Н; А — в см²; р — в барах.

Компрессоры Компрессоры (сжиматели) производят необходимый для пневматических отбойных молотков и пневматических рамок, для вибраторов бетона и чистящих установок, пневматических гвоздевых пистолетов и для пневматических степлеров и отверток сжатый воздух. Различают поршневые компрессоры и винтовые компрессоры (рис. 48).

Рис. 48. Пневматический отбойный молоток, работающий от винтового компрессора

В поршневых компрессорах воздух засасывается при возвратно-поступательном движении поршня и сжимается (рис. 49). Сжатый воздух накапливается в цилиндре для сжатого воздуха. Компрессор приводится в действие с помощью электромотора или с помощью дизельного двигателя. При достижении максимального или минимального давления в накопительном цилиндре электромотор управляется прерыванием работы, а дизельный двигатель — за счет свободного хода. При этом компрессор включается или отключается.

Рис. 49. Поршневой компрессор

В винтовых компрессорах воздух сжимается между входящими в зацепление друг с другом винтовыми валами, потому что воздушные камеры все более сужаются к выходному отверстию (рис. 50). В случае винтового компрессора цилиндр для накопления сжатого воздуха не нужен, так как с помощью регулятора автоматически подается нужное количество сжатого воздуха при постоянном давлении. Привод осуществляется также с помощью электромотора или дизельного двигателя. Винтовой компрессор имеет преимущество в том, что он создает меньше шума.

Рис. 50. Винтовой компрессор

Тепло

Молекулы любого вещества находятся в постоянном движении. В телах с более высокой температурой они движутся быстрее, в телах с более низкой температурой — медленнее. Таким образом, тепло является не чем иным, как энергией движения молекул. Повысить температуру тела — это значит увеличить энергию движения молекул.

Температура и измерение температуры

Температура и тепло часто считают одним и тем же. Однако они имеют разный смысл. Тогда как температура дает представление о тепловом состоянии тела, под теплотой понимают содержащееся в теле количество тепла. Единицами температуры являются кельвин (К) и градус Цельсия (°С). О °С соответствует точке замерзания воды (точка таяния). 100 °С соответствует точке кипения воды при нормальном давлении воздуха (точка испарения). Самая низкая температура составляет примерно —273 °С; ее называют абсолютным нулем. При этой температуре все вещества, в том числе и газы, находятся в твердом состоянии, так как при такой температуре прекращается всякое движение молекул.

При использовании единиц Кельвин ведут отсчет от абсолютного нуля, 273 К соответствует точке таяния, 373 К соответствует точке кипения воды (рис. 51).Приборы, измеряющие температуру, называют термометрами. Различают жидкостные и металлические термометры, а также электрические термометры и пироскопы или конусы Зегера.

Рис. 51. Шкала температур в К и °С

Количество тепла

Чтобы установить, какой из двух источников поставляет большее количество тепла, с их помощью нагревают одинаковое количество воды. Той воде, которая за одно и то же время достигла более высокой температуры, было отдано большее количество тепла или тепловой энергии (рис. 52). Наоборот, в 10 л воды содержится в 10 раз больше тепловой энергии, чем в 1 л воды, при одинаковой температуре. Единицей тепловой энергии является джоуль (Дж). Джеймс Джоуль в 1843 г. доказал, что каждому количеству тепловой энергии соответствует определенная механическая работа. Поэтому работа, энергия и количество тепла рассматриваются как величины одного вида. Единицами служат джоуль (Дж), ньютон * метр (Нм) и ватт * секунда (Вт*с).

1 Дж = 1 Н*м = 1 Вт*с
1000 Дж = 1 кДж = 1 кН*м = 1 кВт*с
1 кВт*ч = 3600 кВт*c = 3600 кН*м = 3600 кДж

Рис. 52. Различие между температурой и количеством тепла

Удельная теплоемкость

Различные материалы одинаковой массы требуют для своего нагревания различное количество тепла. Покрытия из алюминия, например, при одинаковом подводе тепла от солнечного излучения будут иметь более высокую температуру, чем дерево или штукатурка. Необходимое для определенного повышения температуры количество тепла зависит не только от массы, но также и от вида материала. Удельная теплоемкость — это то количество тепла, которое необходимо, чтобы повысить температуру 1 кг вещества на 1 К (=1 °С).

Пример: Удельная теплоемкость бетона равна 1000 Дж/кг*К (табл. 5). Это значит, что для нагревания массы бетона в 1 кг на 1 К требуется 1000 Дж.

Таблица 5. Средняя удельная теплоемкость (с) различных материалов
Материал	Дж/(кг*К)
Вода	4200
дерево	2100
пенопласты	1500
газобетон	1050
стеновой кирпич	1000
известково-песчаные камни	1000
бетон	1000
минеральный войлок	840
пеностекло	840
алюминий	800
стекло	800
сталь	500

Для нагревания древесины требуется примерно в 2 раза большее количество тепла, чем для такой же массы газобетона, т.е. при подводе одинакового количества тепла газобетон нагревается до температуры, чем дерево. Это отражается, например, на различном температурном удлинении конструкций из этих материалов.

Теплонакопительная способность

Строительная конструкция принимает при нагревании определенное количество тепла, которое накапливается в конструкции. Теплонакопительная способность Q строительной конструкции, например стены, зависит от плотности ρ (произносится «ро»), от удельной теплоемкости материала с, а также от толщины d конструкции. Достаточная теплоаккумулирующая способность стен и перекрытий важна для обеспечения комфортности в помещениях. Теплонакопительная способность конструкции Q = плотности р х на удельную теплоемкость с х на толщину конструкции d:

Q=ρ*c*d,

где Q — в Дж/м²*К; р — в кг/м³; с — в Дж/кг*К; d — в м.

Действия тепла

Температурное расширение При нагревании тела расширяются во всех направлениях.

Изменение объема твердых тел Все строительные конструкции расширяются при нагревании и сжимаются при охлаждении, т.е. они изменяют при изменении температуры свой объем. В строительных конструкциях особенно важно учитывать изменение длины.

Изменение длины Δ (произносится «дельта») зависит от длины l конструкции, разности температур ϴ (произносится «тета»), как прирост температуры или ее уменьшение, а также от коэффициента линейного расширения материала, из которого состоит строительная конструкция (рис. 53).

Рис. 53. Изменение длины при изменении температуры

Коэффициент линейного расширения а показывает, на сколько миллиметров увеличивается или укорачивается тело длиной 1 м при разнице температур в 1 К. Единица измерения: мм/(м-К) (табл. 6).

Таблица 6. Коэффициенты температурного расширения (ά) строительных материалов
Строительный материал	ά, мм/(м*К)
Железобетон	0,011
Кирпичная кладка из клинкерного кирпича	0,010
Песчаник, газобетон, легкий бетон	0,008
Стеновой кирпич	0,006
Стекло, керамическая плитка	0,008
Строительная сталь	0,012
Медь	0,017
Алюминий	0,024
Цинк, свинец	0,029
Дерево и изделия из него	0,003

Изменение длины Δl = коэффициенту температурного расширения α х исходную длину l1 х разницу температур Δϴ:

l₂ — l₁ = Δl = α * l₁ * Δϴ,

где Δl— в мм; l₁ и l₂ — в м; Δϴ — в К; α — в мм/(м*К).

Например, синтетический материал полиэтилен расширяется в 17 раз больше, а алюминий — в 2 раза больше, чем сталь. Только потому, что бетон имеет такое же температурное расширение, как сталь, строительство из такого материала, как железобетон, стало вообще возможным. Если в строительстве используются вместе материалы с различным температурным расширением, как,например, устройство покрытия из кровельной жести на стеновой кладке, то необходимо следить за тем, чтобы материалы могли свободно перемещаться относительно друг друга. В протяженных строительных конструкциях должны предусматриваться деформационные швы.

Изменение объема жидких тел Жидкие тела расширяются при нагревании значительно больше, чем твердые тела. Ацетон имеет очень большое, а вода и ртуть имеют наименьшее из жидкостей температурное расширение. В правиле о том, что каждое тело при охлаждении сжимается, вода имеет исключение (аномалия воды). Ее объем при охлаждении до +4 °С уменьшается, однако при дальнейшем охлаждении от +4 до 0 °С он снова увеличивается. Поэтому вода при +4 °С имеет наибольшую плотность. Это также является причиной, почему лед плавает в воде, а замерзшие водопроводные трубы лопаются.

Изменение объема газообразных тел Газы при нагревании расширяются значительно больше, чем жидкости. Их расширение при повышении температуры на каждый градус Цельсия составляет 1/273 их объема при 0 °С. Если, например, воздух нагревать в каком-либо объеме, то он расширяется. Его плотность по отношению к ненагретому воздуху становится все меньше, поэтому нагретый воздух поднимается кверху. Газ, находящийся в замкнутом сосуде, например в бутылке, не может расширяться при нагревании. Давление газа растет, что может привести к разрыву сосуда.

Плавление и испарение Материалы встречаются в трех формах своего состояния — твердом, жидком и газообразном, которые называют агрегатными состояниями. Переход из одного состояния в другое происходит при определенных температурах (рис. 54).

Рис. 54. Различные агрегатные состояния

Твердые вещества становятся жидкими, когда приход тепла заставляет молекулы двигаться так сильно, что они внутри смеси начинают в определенных местах терять связи между собой. Температура, при которой это происходит, называется точкой плавления или температурой плавления (табл. 7). Чтобы перевести 1 кг вещества из твердого состояния в жидкое, необходимо определенное количество тепла, которое называется теплом плавления. У воды оно составляет 335 кДж/кг.

Таблица 7. Температуры плавления и затвердевания материалов
Материалы	°С
Хром	1900
Сталь	1450...1530
Никель	1450
Чугун	1150...1250
Медь	1070...1093
Алюминий	658
Цинк	419
Свинец	327
Вода	0
Ртуть	-39
Азот	-210
Кислород	-227

При возрастающем нагревании жидкости движение молекул настолько возрастает, что их взаимные силы когезии полностью преодаляются, и жидкость превращается в газ. Этот процесс называют испарением (рис. 56). При этой температуре достигается точка кипения или температура кипения жидкости (табл. 8). Количество тепла, необходимое для перевода 1 кг жидкости из жидкого состояния в газообразное, называется теплотой испарения. Оно составляет для воды 2250 кДж/кг.

Таблица 8. Температуры кипения при 1013 мбар
Материалы	°С
Водород	-253
Кислород	-196
Азот	-183
Спирт	78,4
Ацетон	57
Вода	100
Ртуть	357
Свинец	1526

Рис. 55. Кипение

Конденсация и твердение Если у газообразного тела, например у водяного пара, отбирать тепло, то при определенной температуре оно уплотняется до жидкого состояния, например вода. Эту температуру называют точкой конденсации, а необходимое для этого количество тепла — конденсационных теплом. Конденсационное тепло равно теплоте испарения. В строительстве необходимо в основном учитывать конденсацию водяного пара на внутренней стороне наружных стен или внутри этих конструкций. Влажность в конструкциях ведет к строительным повреждениям и уменьшает теплоизоляцию.

Когда жидкость охлаждается, она затвердевает. Имеющая при этом место температура называется точкой затвердевания (см. рис. 54). В случае воды она называется точкой замерзания или таяния. Точки плавления и затвердевания совпадают. Освобождающееся при затвердевании количество тепла равно теплоте плавления. Тогда как затвердевшие тела уменьшаются в объеме, вода при замерзании расширяется. Пористые материалы, поры которых заполнены водой, при морозе могут разрушаться за счет разрывающего действия льда.

Испарение Жидкость может превращаться в газ и ниже точки кипения. Правда, испарение происходит только у ее поверхности. Этот процесс называют образованием тумана (рис. 56). Образование тумана происходит тем быстрее, чем суше и подвижнее окружающий воздух и чем ближе температура жидкости к точке кипения. Поэтому при комнатной температуре жидкость испаряется тем быстрее, чем ниже ее точка кипения, например у спирта, нитроразбавителей и бензина. При испарении молекулы вещества вырываются с поверхности жидкости и воспринимаются воздухом (см. рис. 56). Требуемую для этого энергию движения они забирают у жидкости в форме тепловой энергии. Связанное с этим понижение температуры называют испарительным охлаждением. Процесс испарения можно ускорить путем увеличения площади испарения, например путем разрезания древесины для ее сушки.

Рис. 56. Испарение

Источники тепла

Важнейшим источником тепла для земли является Солнце. Оно передает тепло за счет излучения; при перпендикулярном падении солнечных лучей оно поставляет энергию, равную 80 кДж/(м²*мин). Другими источниками тепла являются находящиеся в земле твердые, жидкие и газообразные горючие вещества. Они, как правило, растительного или животного происхождения и при сжигании образуют тепло. Высвобождающееся при сжигании 1 кг топлива количество тепла называют теплотворной способностью топлива. Теплотворная способность различных видов топлива различна (табл. 9). Все большее значение приобретает получение тепла за счет ветровой и солнечной энергии. Тепловая энергия может быть получена также и путем превращения энергии из одной формы в другую, например из электрической энергии.

Таблица 9. Теплотворная способность топливных материалов
Вид топлива	Коп-во	кДж
Кокс	1 кг	28 596
Торфяные брикеты	1 кг	20 097
Дрова	1 кг	14 654
Мазут (легкий)	1 л	37 153
Мазут (тяжелый)	1 л	39 062
Городской газ	1 м³	15 994
Природный газ	1 м³	31 736

Передача тепла

Каждое тело, которое теплее, чем его окружение, для этого окружения является источником тепла. Передача тепла может осуществляться путем радиации (излучения), конвекции или теплопроводности.

Тепловая радиация Тепловые лучи ведут себя аналогично световым лучам. Они передают тепловую энергию как излучение также и через безвоздушное пространство и отдают ее в виде тепла только при попадании на какое-либо тело (рис. 57). При этом энергия излучения переходит в тепловое движение молекул. Способность тепловосприятия при тепловом излучении зависит в основном от характера наружной поверхности различных тел. Тела с темной и шероховатой поверхностью воспринимают большую часть теплового излучения и нагреваются поэтому сильнее, чем светлые и гладкие тела, которые большую часть энергии отражают. В качестве примеров можно назвать нагревание темной крыши автомобиля или дома, а также нагревание темной одежды солнечными лучами. Наоборот, темные тела, например радиатор, излучают больше тепла, чем светлые. В технике тепловое излучение применяется, например, для отопления помещений.

Рис. 57. Теплопередача за счет радиации

Конвекция В противоположность тепловому излучению конвекция возможна только в жидкостях и газах. Если эти газы, например воздух, или жидкости, например вода, нагреваются в отопительной системе, они расширяются. За счет своей уменьшающейся при нагревании плотности они становятся легче и поднимаются кверху, тогда как более холодные и поэтому более тяжелые массы воды или воздуха поступают на их место. Образуется поток газа или жидкости, который уносит тепло от источника и отдает его менее теплым материалам, таким, как кладка стен, бетон, воздух и т.д. Примерами является круговорот воздуха вокруг отопительного прибора или водяное отопление горячей водой за счет силы тяжести (рис.58). Конвекция имеет место также у поверхностей строительных конструкций или в воздушных слоях между поверхностями различной температуры.

Рис. 58. Передача тепла за счет конвекции

Теплопроводность При теплопроводности выравнивание температур происходит при передаче тепла в одном материале от молекулы к молекуле, без изменения местоположения молекул. Тепло передается за счет энергии колебания лежащих ближе к источнику тепла и поэтому более сильно колеблющихся молекул к соседним слабее колеблющимся молекулам с помощью ударных процессов (рис. 59).

Рис. 59. Передача тепла за счет теплопроводности

Хорошо проводят тепло твердые материалы с большой плотностью, особенно металлы. Плохо проводят тепло дерево, синтетические материалы, пористые строительные материалы. Жидкости и особенно газы тоже плохо проводят тепло, если конвекция затруднена. Материалы, плохо проводящие тепло, в строительстве называются теплоизоляционными материалами. Они применяются для уменьшения потерь энергии. Теплопроводность измеряется в Вт/(м*К).

Теплопроводность снижается тем сильнее,

чем меньше плотность,
чем более пористым является материал,
чем меньше поры,
чем меньше его влагосодержание.

Влажность воздуха

Воздух имеет свойство воспринимать водяной пар. Содержащееся в 1 м3 воздуха количество водяного пара в г называют абсолютной влажностью воздуха. Способность воздуха воспринимать водяной пар зависит от температуры воздуха. Воздух с более высокой температурой может воспринимать и накапливать больше влаги, чем воздух с более низкой температурой. Так называемая максимальная влажность воздуха в г/м3 достигается, когда воздух уже больше не может воспринимать влагу. В этом случае говорят, что воздух насыщен влагой. Так, например, воздух при 20 °С может накапливать максимально 17,3 г водяного пара. При температуре 10 °С насыщение наступает уже при содержании влаги 9,4 г/м3. Сколько грамм водяного пара воздух максимально может воспринять при различной температуре, показано на кривой насыщения (рис. 60).

Рис. 60. Содержание влаги в воздухе в зависимости от относительной влажности воздуха и его температуры

Как правило, воздух не содержит максимально возможное количество влаги, т.е. 100%, а меньшее. Это содержание влаги в воздухе выражается как отношение абсолютной влажности воздуха к максимальной влажности в % и называется относительной влажностью воздуха.

Относительная влажность воздуха в % = (абсолютной влажности воздуха/максимальную влажность воздуха) * 100%

Звук

Возникновение звука

Если ударить по камертону, то оба свободных конца вилки будут совершать возвратно-поступательные движения, так называемые колебания. Эти колебания камертона будут передавать колебания рядом расположенным молекулам воздуха. При этом возникают зоны уплотнения и зоны разрежения в воздухе, которые распространяются от источника звука как звуковые волны. Если эти звуковые волны достигают уха, то они будут услышаны нами в виде звука за счет колеблющейся в такт с колебаниями воздуха барабанной перепонки, если количество колебаний в секунду будет лежать между 16 и 20 000. Количество колебаний в секунду называют частотой тона; единица частоты — герц (Гц). Чем больше частота, тем выше тон. Звук, который состоит из тонов многих частот, называют сложным звуком. Мешающий или неприятный сложный звук называется шумом.

Распространение звука

Для того чтобы звук мог распространяться, ему необходима материальная среда, которая могла бы передавать дальше колебания. Звукопроводная среда может быть твердой, жидкой или газообразной. Как правило, звук достигает человеческого уха через колеблющиеся молекулы воздуха. Поэтому он называется воздушным звуком. Воздушный звук возникает, например, у колеблющихся голосовых связок при разговоре или пении, при вибрации мембраны громкоговорителя, при колебаниях резонансных дек в музыкальных инструментах. Звук распространяется по всем направлениям. Если он попадает на конструкцию, то эта конструкция будет отражать этот звук, т.е. отбрасывать его обратно. Другая часть звука будет приводить конструкцию в колебательное движение. Эти колебания будут передаваться другим конструкциям, а также излучаться с другой стороны этой ограждающей конструкции и частично гаситься внутри нее (рис. 61).

Рис. 61. Распространение воздушного шума (схематично)

Корпусной звук. Так называют звук, который распространяется в твердых телах, например в стеновой кладке, и который возникает при непосредственном воздействии, например при стуке. Так как корпусной шум возникает в основном при хождении по перекрытию или по полу на перекрытии, в этом случае говорят об ударном шуме на перекрытии (рис. 62). Корпусной шум в стенах и ударный шум на перекрытиях частично поглощаются этими конструкциями, однако большая часть этих видов шума излучается конструкцией в виде воздушного шума и поэтому бывает слышна.

Рис. 62. Распространение корпусного шума

Измерение шума

При оценке силы звука измеряется давление, которое передается колебаниями молекул воздуха на измерительный прибор. Это давление называют звуковым давлением. Этому звуковому давлению соответствует определенный уровень шума. Измеренное звуковое давление на шкале измерительного прибора представлено как уровень шума (или уровень звукового давления) на шкале в диапазоне от 1 до 120 дБ При этом одно деление шкалы соответствует единице в 1 децибел (1 дБ) (рис. 63).

Рис. 63. Сравнение звукового давления и уровня звукового давления

Как показали исследования, человеческий слух имеет свойство считать низкие тона менее громкими, чем более высокие тона. Начало различения звука, порог слышимости, лежит, например, при частоте 1000 Гц около 0 дБ. При тоне с частотой 100 Гц порог слышимости находится около 25 дБ. Эта особенность человеческого слуха различные по высоте тона ощущать различными по громкости учитывается тем, что полученные при измерениях значения уровней шума в децибелах принимаются с поправками. Эти поправочные коэффициенты установлены в DIN 45633. После учета поправочных коэффициентов получают оценочный уровень шума по шкале А прибора (называемого шумомером), выражаемый в дБ(А).

На пороге слышимости уровень шума по шкале А составляет 0 дБ(А), на болевом пороге он составляет 120 дБ(А). При 65 дБ(А) начинается расстройство вегетативной нервной системы, при 90 дБ(А) — расстройство и повреждение слуха. Начиная с 85 дБ(А) сотрудники должны носить индивидуальные средства защиты слуха. При 90 дБ(А) они предписываются категорически. Для оценки уровня шума по шкале А могут служить приведенные в табл. 10 примеры различных шумов.

Таблица 10. Уровни шума известных источников в дБ(А)
Тихий разговор	40
Обычный разговор	50
Громкий разговор	60
Суперзвукоизолированный компрессор	70
Сильный транспортный шум	80
Строительная круговая пила	85
Пластинчатый вибратор	95
Стенд испытания моторов	100

Nav view search

Навигация

Искать

Основные категории