- •Раздел I. Статика
- •Глава 1. Основные понятия и аксиомы статики
- •Введение: предмет, метод, место среди естественных наук и границы применимости теоретической механики
- •1.2 Сила, система сил, эквивалентная система сил и уравновешенная система сил
- •1.3 Аксиомы статики и некоторые следствия из них
- •1.4 Исследование связей и установление направления их реакций
- •Глава 2. Приведение пространственной и плоской систем сходящихся сил к равнодействующей
- •2.1 Геометрический метод определения равнодействующей
- •Пространственной и плоской систем сходящихся сил
- •2.2 Условие равновесия пространственной и плоской систем сходящихся сил в геометрической форме
- •2.3 Разложение силы на сходящиеся составляющие
- •2.4 Проекции силы на ось и на плоскость
- •2.5 Определение силы по ее проекциям на координатные оси
- •2.6 Аналитический метод определения равнодействующей пространственной и плоской систем сходящихся сил
- •2.7 Условия равновесия пространственной и плоской систем сходящихся сил в аналитической форме. Указания к решению задач
- •2.8. Момент силы относительно точки. Теорема Вариньона о моменте равнодействующей
- •Глава 3. Система параллельных сил и теория пар, как угодно расположенных в одной плоскости
- •3.1 Приведение систем двух параллельных сил, направленных
- •В одну сторону, к равнодействующей
- •3.2 Приведение системы двух неравных по модулю параллельных сил, направленных в противоположные стороны, к равнодействующей
- •3.3 Пара сил. Момент пары сил
- •3.4 Эквивалентность пар
- •3.5 Сложение пар, расположенных в одной плоскости. Условие равновесия пар
- •Глава 4. Произвольная плоская система сил
- •4.1 Теорема о параллельном переносе силы. (Метод Пуансо)
- •4.2. Приведение произвольной плоской системы сил к одной силе и к одной паре
- •4.3 Приведение произвольной плоской системы сил к равнодействующей
- •4.4 Теорема Вариньона о моменте равнодействующей произвольной плоской системы сил. Условие равновесия рычага
- •4.5 Приведение произвольной плоской системы сил к одной паре
- •4.6 Условия равновесия произвольной плоской системы сил
- •4.7 Условия равновесия плоской системы параллельных сил
- •4.8 Указания к решению задач
- •4.9 Равновесие сочлененной системы тел
- •Глава 5. Трение скольжения и качения
- •5.1 Трение скольжения
- •5.2 Трение качения
- •5.3 Понятие о ферме
- •5.4 Способ вырезания узлов
- •5.5. Способ разрезов фермы
- •Глава 6. Произвольная пространственная система сил и теория пар, как угодно расположенных в пространстве
- •6.1 Момент силы относительно точки как вектор
- •6.2 Момент силы относительно оси
- •6.3. Зависимость между моментом силы относительно оси и моментом силы относительно точки, лежащей на этой оси
- •6.4 Аналитическое выражение моментов силы относительно координатных осей
- •6.5 Теорема о переносе пары в другую плоскость, параллельную плоскости действия этой пары
- •6.6 Момент пары как вектор
- •6.7 Условие эквивалентности двух пар
- •6.8 Сложение пар, лежащих в разных плоскостях. Условие равновесия пар
- •6.9 Приведение произвольной пространственной системы сил к одной силе и к одной паре
- •6.10 Изменение главного вектора-момента при перемене центра приведения
- •6.11 Инварианты произвольной пространственной системы сил
- •6.12 Приведение произвольной пространственной системы сил к динамическому винту
- •6.13 Случай приведения системы сил, не лежащих в одной плоскости, к равнодействующей. Теорема Вариньона о моменте равнодействующей
- •6.14 Случай приведения системы сил, не лежащих в одной плоскости, к паре
- •6.15 Условия равновесия произвольной пространственной системы сил. Случай пространственной системы параллельных сил
- •6.16 Равновесие твердого тела с одной и с двумя закрепленными точками. Указания к решению задач
- •Глава 7. Центр тяжести
- •7.1 Приведение системы параллельных сил к равнодействующей. Центр параллельных сил
- •7.2 Центр тяжести
- •7.3 Способы определения координат центров тяжести тел
- •7.4 Центр тяжести некоторых линий, площадей и объемов
- •7.5 Графическое определение положения центра тяжести плоских фигур
6.12 Приведение произвольной пространственной системы сил к динамическому винту
Пусть в результате
приведения произвольной пространственной
системы сил к центру О
оказалось, что главный вектор
и главный вектор-момент
этой системы
сил отличны от нуля. При этом главный
вектор-момент
не перпендикулярен к главному вектору
,
т. е. скалярное произведение главного
вектора
на главный вектор-момент
не равно нулю (
).
Разложим по правилу
параллелограмма главный вектор-момент
(рисунок 105) на две составляющие
и
,
т. е. по направлению главного вектора и
по направлению перпендикулярному к
главному вектору, так что
,
причем
;
.
Это последнее
равенство, определяющее проекцию
главного вектора-момента
на направление
главного вектора
,
можно, очевидно, записать так:
. (1)
Так как проекция
главного
вектора-момента
на направление главного вектора
не зависит от выбора центра приведения,
то отсюда следует, что вектор
инвариантен по отношению к центру
приведения.
Вектор
перпендикулярный к главному вектору
,
заменим парой сил, которую он изображает.
При этом плечо этой пары подберем так,
чтобы силы пары были равны
и
.
Это плечо, очевидно, должно быть равным
.
Я
сно,
что силы
и
,
приложенные в точке О,
эквивалентны нулю. Следовательно, в
результате получаем силу
,
приложенную в точке А,
и пару с вектором-моментом
,
параллельным этой силе.
Так как вектор
есть вектор свободный, то его можно
перенести на линию действия силы
(рисунок 106).
Совокупность силы
,
равной главному вектору
,
и пары, вектор-момент
которой параллелен силе
,
называется динамическим
винтом, или динамой.
Проходящая через
точку А
прямая
,
по которой направлены сила
,
равная главному вектору
,
и главный вектор-момент
динамы, называется центральной
винтовой осью данной системы сил, или
осью динамы.
Так как для всех
центров приведения, лежащих на центральной
винтовой оси, главный вектор-момент
направлен по главному вектору, то,
очевидно, модуль главного вектора-момента
является наименьшим по сравнению с
модулем главного вектора-момента данной
системы относительно всякого другого
центра приведения О,
не лежащего на центральной оси. Поэтому
главный вектор-момент
динамы называют наименьшим
главным вектором-моментом.
Выведем уравнение
центральной винтовой оси данной системы
сил. Для этого примем за начало координат
центр приведения О
(рисунок 106). Центральная винтовая ось
данной системы сил представляет собой
геометрическое место точек А,
для которых векторы
и
параллельны друг другу. Напишем условие
параллельности этих векторов
,где
р
– постоянная линейная величина,
называемая параметром
динамы. Это
условие в проекциях запишется так:
. (2)
Очевидно, что (см. рисунок 105)
. (3)
где
– вектор-момент относительно точкиО
силы
,
действующей вдоль центральной оси.
Момент силы
,
приложенной к точкеА,
относительно координатных осей можно
найти по формулам (3, §34):
;
;
,а
поэтому в проекциях равенство (3) напишем
так:
;
;
,где
x,
y,
z
– текущие
координаты точки А
на центральной оси. В результате вместо
уравнения (2) получим следующие два
уравнения, представляющие собой уравнения
прямой линии:
, (4)где
,
,
и
,
,
определяются соответственно по формулам
(5, §39) и (8, §39).
Так как точка А
выбрана на центральной оси совершенно
произвольно, то координаты x,
y,
z
всякой точки, лежащей на этой оси,
удовлетворяют уравнениям (4). Следовательно,
эти уравнения являются уравнениями
центральной оси. Чтобы найти из уравнений
(4) точки пересечения центральной оси с
координатными плоскостями, положим
последовательно в этих уравнениях
,
и
.
Таким образом, мы
доказали следующую теорему:
если для данной произвольной
пространственной системы сил выполняется
условие
т. е.
и
,
и при этом векторы
и
не перпендикулярны и не параллельны
друг другу, то такая система сил приводится
к динаме. Следует
при этом иметь в виду, что свободное
твердое тело под действием такой системы
сил может одновременно совершать
вращательное и поступательное движения,
т. е. винтовое движение.
Если для данной
системы сил
,
и при этом главный вектор-момент
относительно центра приведенияО
параллелен главному вектору
,
то такая система сил также приводится
к динаме, но только ось этой динамы будет
проходить через центр приведения О.
