Otpornost materijala je grana mehanike koja proučava ponašanje čvrstih tela pod dejstvom sila, kako bi se sprečile greške u dizajnu mašina, konstrukcija ili alata.
U statici i dinamici smo posmatrali ‘kruto telo’, tj. telo koje ne menja svoje dimenzije i oblik. U tim oblastima mehanike, proučavalo se kretanje tela pod dejstvom sila (prvi i drugi Njutnov zakon). Medjutim, iz prakse znamo da su sva tela (makar na mikro-nivou deformabilna, odnosno menjaju svoj oblik i dimenzije (trpe deformacije) pod dejstvom sila. Zadatak predmeta otpornost materijala je izučavanje naprezanja koje se javljaju u telu koje je pod dejstvom sila, prilikom uspostavljanja ravnotežnog stanja.
Usled dejstva spoljašnjih sila na telo, po trećem Njutnovom zakonu se u telu javljaju unutrašnje sile, koje teže da uspostave ravnotežu. Dakle, spoljašnje sile su one koje "napadaju" telo spolja, dok unutrašnje sile predstavljaju "odbranu" materijala – one nastaju unutar tela da bi se održala ravnoteža. Bez razumevanja ovih sila, ne možemo predvideti da li će se materijal deformisati, saviti ili puknuti.
Zašto je ovo važno u mašinskoj školi? U praksi, mašinski tehničari rade sa delovima poput osovina, greda ili stubova, gde spoljašnje sile (npr. težina mašine) izazivaju unutrašnje napone. Po Hookeovom zakonu, deformacije su proporcionalne naponima do elastične granice – posle toga dolazi do trajnih oštećenja. Cilj je da materijali budu sigurni i efikasni.
Spoljašnje sile su sile koje deluju na telo iz okoline, izazivajući njegovo naprezanje i deformaciju. One mogu biti aktivne (npr. teret koji sami stavimo) ili reaktivne (npr. reakcija oslonca). Prema mestu delovanja, dele se na površinske (deluju na površinu, liniju ili tačku) i zapreminske (deluju na ceo volumen, npr. gravitacija).
Tipovi spoljašnjih sila:
Koncentrisane sile: Deluju na malu površinu ili tačku, npr. težina predmeta na kraju grede.
Raspoređene sile: Deluju ravnomerno po površini ili dužini, npr. pritisak fluida u cilindru ili sneg na krovu (označeno kao q, u N/m).
Momenti sila: Rotacione sile, npr. moment savijanja (M) ili torzije (Mt), koji uzrokuju savijanje ili uvijanje.
Po karakteru: Statičke (konstantne), dinamičke (promenljive) ili udarne (naglo delovanje, npr. udarac čekića).
Primeri u mašinstvu:
Aksijalna sila (F) na stub mosta od težine automobila – uzrokuje zatezanje ili sabijanje.
Bočna sila vetra na kran – izaziva savijanje.
Moment torzije na osovini motora – uvija osovinu.
Unutrašnje sile nastaju unutar materijala kao reakcija na spoljašnje sile, kako bi se sprečila deformacija i održala ravnoteža (Treći Njutnov Zakon). Analiziraju se metodom preseka: zamišljeno "sečemo" telo i gledamo sile u preseku (normalne, transverzalne, momenti). One su posledica molekularnih sila privlačenja u materijalu.
Tipovi unutrašnjih sila:
Normalna sila (N): Deluje okomito na presek, uzrokuje zatezanje (pozitivno) ili sabijanje (negativno).
Transverzalna sila (T ili V): Deluje paralelno sa presekom, uzrokuje smicanje (klizanje delova).
Moment savijanja (M): Uzrokuje savijanje, npr. gornji deo grede se zateže, donji sabija.
Moment torzije (Mt): Uzrokuje uvijanje, npr. u osovinama.
Primeri u mašinstvu:
Normalna sila u stubu pod težinom: N = -F (sabijanje).
Transverzalna sila u zakovici: T = F/2 (smicanje).
Moment savijanja u gredi mosta: M = F·l/4 (maksimalan u sredini).
Spoljašnje sile izazivaju unutrašnje sile, koje dovode do napona (mera intenziteta sila po površini) i deformacija (promena oblika). Naponi su: normalni (σ) za zatezanje/sabijanje, tangencijalni (τ) za smicanje. Deformacije su: linijske (ε = Δl/l) i ugaone (γ ≈ tanγ za male uglove).