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Zweites Beispiel zum Thema Gleichgewicht am verformten System

Als zweites Beispiel soll wiederum ein starrer Stab dienen, der an seinem oberen Ende durch eine längs seiner Achse wirkende Druckkraft F belastet wird. Der Stab wird in der Höhe L1 von einer Translationsfeder mit der Federsteifigkeit c [kN/m] gestützt.
Ziel ist es erneut, die kritische Knicklast des Systems zu finden, unter der indifferentes Gleichgewicht herrscht.

System:
Wird der Stab ausgelenkt, so wirkt die Feder dieser Verschiebung entgegen. Je nachdem in welche Richtung der Stab ausgelenkt wird, drückt oder zieht die Feder mit einer Kraft FF gegen die Auslenkung. Die Kraft FF ist über das Federgesetz FF = c · x bekannt, x bezeichnet dabei die Federverlängerung beziehungsweise Verkürzung.
Um die Stabilität des Stabes zu untersuchen, wird wie beim ersten Beispiel vorgegangen.

Verformtes System:

Gleichgewichtsbedingungen (ΣH = 0, ΣV = 0, ΣM = 0):
ΣV = 0: Av - F = 0  Av = F
ΣH = 0: Ah - FF = 0  Ah = FF

Diese beiden Aussagen sind für die Stabilitätsuntersuchung allerdings unrelevant. Die entscheidende Gleichgewichtsbedingung ist wieder das Momentengleichgewicht, das erneut um den unteren Punkt A des Stabes aufgestellt wird. Nur die Kräfte F und FF haben einen Hebelarm und gehen in die Bedingung ein.
ΣMA = 0: F · w - FF · L1 · cosφ = 0

Für kleine Winkel gilt: cosφ  1
Über den Strahlensatz:
Mit dem Federgesetz: FF = c · x
Daraus folgt für das Momentengleichgewicht:
Da die Auslenkung x beliebig sein soll, muss der Klammerausdruck verschwinden:

Dies ist die gesuchte kritische Last, bei deren Überschreitung der Stab immer weiter ausweicht, bis er ganz umfällt.


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