- •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
6.16 Равновесие твердого тела с одной и с двумя закрепленными точками. Указания к решению задач
1. Равновесие твердого тела с одной закрепленной точкой. Выведенные в § 6.15 условия равновесия, а также установленные нами ранее условия равновесия для частных случаев расположения сил являются условиями равновесия свободного твердого тела.
Н
а
практике мы обычно имеем дело с телами
несвободными. Примером несвободного
тела может служить тело с одной неподвижной
точкой. Неподвижное закрепление точки
тела можно осуществить, например, при
помощи сферического шарнира, т. е.
приспособления, обеспечивающего
неподвижность точки закрепления тела
и допускающего возможность поворота
тела вокруг любой оси, проходящей через
эту точку.
Пусть на твердое
тело с одной закрепленной точкой О
(рисунок 111) действует произвольная
пространственная система сил
.
Под действием этой системы сил возникает
сила реакции
,
неподвижно закрепленной точкиО,
которая служит связью. Эта реакция
неизвестна ни по модулю, ни по направлению.
Выбирая начало координат в неподвижной
точке, разложим реакцию
на три составляющие,
,
и
,
имеющие направление осей координат.
Отбрасывая связь и заменяя ее действие
на тело реакциями
,
и
,
можно данное несвободное тело рассматривать
как свободное и написать для него шесть
соотношений равновесия:
(1)
Моменты силы
относительно всех трех координатных
осей равны нулю, так как сила
пересекает все эти три оси. Поэтому в
последние три соотношения входят только
активные силы
.
Те из соотношений (1), в которые не входит
реакция связи
называютсяусловиями
равновесия.
В последние три соотношения проекции
реакции
закрепленной точки не входят. Следовательно,
эти три соотношения являются условиями
равновесия, которым должны удовлетворять
активные силы
,
действующие на тело, чтобы оно оставалось
в равновесии.
Соотношения (1), в
которые реакция связи
входит, называютсяуравнениями
равновесия.
В первые три соотношения проекции
реакции
закрепленной точки входят, поэтому эти
соотношения являются уравнениями
равновесия, из которых можно определить
проекции
,
и
неизвестной реакции
и, следовательно, можем найти и реакцию
.
2. Равновесие
твердого тела с двумя закрепленными
точками.
Неподвижное закрепление двух точек А
и В
тела можно осуществить, например, при
помощи сферических шарниров или
подпятников (рисунок 112, а).
Ясно, что прямая, проходящая через точки
А
и В,
также будет неподвижной. Эта прямая
называется осью вращения. Тело в этом
случае имеет возможность поворачиваться
вокруг оси вращения. Примем точку А
за начало координат и направим ось z
по оси вращения АВ.
Расстояние между точками А
и В
обоз
начим
черезh.
Пусть на это тело действует произвольная
пространственная система сил
.
Тогда в результате действия на тело сил
этой системы в точках закрепления А
и В
возникнут силы реакций
и
.
Разложим эти неизвестные по модулю и
направлению реакций на составляющие
по осям координат. Обозначим эти
составляющие соответственно через
,
,
и
,
,
.
Отбрасывая связи и заменяя их действие
на тело реакциями
и
,
можно данное несвободное тело рассматривать
как свободное и написать для него шесть
соотношении равновесия (моменты силы
относительно координатных осей равны
нулю, так как эта сила пересекает все
эти три оси):
(2)
В последнее из
соотношений (2) неизвестные силы реакций
закрепленных точек А
и В
не входят. Следовательно, это соотношение
является условием равновесия, которому
должны удовлетворять заданные силы
,
действующие на тело, чтобы оно оставалось
в равновесии.
Первые пять
соотношений содержат силы реакций,
поэтому они будут являться уравнениями
равновесия. Эти пять уравнений равновесия
служат для определения шести проекций
,
,
,
,
,
неизвестных реакций
и
.
Одна неизвестная является лишней.
Следовательно, задача будет статически
неопределимой. Эта статическая
неопределимость устраняется, если
предположить, что в одной из точек
закрепления, например в точкеВ,
имеется подшипник (рисунок 112, б).
3. Указания к решению задач. Задачи этой главы можно разбить на два основных типа:
1) задачи, относящиеся к равновесию произвольной пространственной системы сил;
2) задачи, относящиеся к приведению произвольной пространственной системы сил к простейшему виду.
Принцип решения задач первого типа остается тем же, что и для произвольной плоской системы сил. Установив, равновесие какого тела будет рассматриваться, отбрасывают наложенные на тело связи, заменяют их действие на тело соответствующими силами реакций и составляют уравнения равновесия этого тела, рассматривая его как свободное. Задачи этого типа решаются при помощи шести уравнений равновесия (в частном случае, когда все заданные силы и реакции связей параллельны, имеем три уравнения равновесия). При составлении уравнений равновесия для определения проекций сил на координатные оси нужно воспользоваться указаниями, данными в §24.
Новым элементом при решении задач первого типа в составлении уравнений равновесия является вычисление моментов сил относительно осей координат. Ось моментов рекомендуется выбирать лежащей в плоскости одной из неизвестных сил. Тогда момент этой силы относительно данной оси будет равен нулю.
Момент силы относительно координатной оси можно вычислить двумя способами: 1) аналитически, пользуясь формулами (3, §34), выражающими искомый момент силы через проекции этой силы на координатные оси и через координаты ее точки приложения;
2) геометрически, проектируя данную силу на координатную плоскость, перпендикулярную к этой оси, и вычисляя момент этой проекции относительно начала координат.
В тех случаях, когда при вычислении момента возникают затруднения в определении проекции силы на соответствующую плоскость или плеча этой проекции, рекомендуется разложить силу на две взаимно перпендикулярные составляющие, из которых одна параллельна какой-нибудь координатной оси. Затем нужно воспользоваться теоремой Вариньона о моменте равнодействующей.
При решении задач второго типа рекомендуется придерживаться следующего порядка:
1. Принимаем выбранный нами центр приведения за начало координат и направляем координатные оси так, чтобы, можно было проще определять проекции сил на оси и моменты сил относительно этих осей.
2. Определяем
проекции главного вектора
данной системы и ее главного вектора-момента
на каждую из трех координатных осей.
3. Устанавливаем, к какому простейшему виду приводится данная система сил:
А. Если окажется
равной нулю каждая проекция
на координатные оси и не равной нулю
хотя бы одна проекция
на те же оси, то
,
,
и данная система сил приводится к одной
паре, вектор-момент которой равен
главному вектору-моменту
данной системы сил относительно
выбранного центра приведения О
(начала координат). В этом случае остается
найти модуль и направляющие косинусы
главного вектора-момента
по формулам (9, 10, §39).
Б. Если хотя бы
одна из проекций
на координатные оси не равна нулю, а
каждая проекция
на те же оси
равна нулю, то
,
,
и данная система сил приводится к
равнодействующей, равной главному
вектору
,
линия действия которой проходит через
центр приведения О.
В этом случае остается вычислить модуль
и направляющие косинусы этой
равнодействующей по формулам (6, 7, §39).
В. Если хотя бы
одна из проекций
на координатные оси и хотя бы одна из
проекций
на те же оси не равны нулю, то
,
.
Если при этом окажется, что
,
т. е. главный вектор-момент
окажется перпендикулярным к главному
вектору
,
то данная система сил также приводится
к равнодействующей,
равной главному вектору
.
При этом модуль и направляющие косинусы
равнодействующей определяются но тем
же формулам (6, 7, §6.9). В данном случае
точка А
приложения равнодействующей, как
известно, не совпадает е центром
приведения О.
Положение точки А
приложения равнодействующей силы может
быть определено после определения
положения
при помощи формул (10, §39). Точка А
будет лежать на перпендикуляре к векторам
и
на расстоянии
.
При этом перпендикуляр необходимо
восставлять в ту сторону, откуда
наблюдателю, расположенному по главному
вектору-моменту
,
поворот пары виден происходящим против
хода часовой стрелки.
Г. Если же окажется
,
т. е. если
и
и, кроме
того,
не перпендикулярен к
,
то данная система сил приводится к
динаме.
В этом случае нужно найти точку А,
через которую проходит центральная ось
данной системы сил, а также модуль
вектора-момента
относительно этой точки. Модуль
вектора-момента
динамы определяется по формуле (1, §42).
Т
ак
как центральная ось данной системы сил
параллельна главному вектору
этой системы, то направление центральной
оси необходимо определить по формулам
(7, §39).
Координаты х
и у
точки пересечения центральной оси с
плоскостью хоу
определяются уравнениями центральной
оси (4, §42) после подстановки в них
.
Задача 19.
Систему двух сил
кГ,
направленную по оси Оz,
и
кГ,
направленную
параллельно оси Оу,
как указано на рисунке 113, где
м,
требуется привести к простейшему виду,
определив главный вектор
и вектор-момент динамы
.
Найти координаты х
и у
точки пересечения центральной оси с
плоскостью Оху.
Решение. За центр приведения возьмем точку О, которую примем за начало координат; координатные оси Оx, Оу, Oz направим так, как показано на рисунке 113.
Чтобы определить
для данной системы сил главный вектор
и главный вектор-момент
относительно точки О,
найдем проекции этих векторов на
координатные оси.
Для проекций
главного вектора
на координатные оси имеем
;
;
.
Так как точка
приложения силы
лежит на осиОх
и сила
параллельна осиОу
, а точка приложения силы
лежит на осяхОх
и Оу
и сила
направлена вдоль осиОz,
то
;
;
,а
поэтому для проекций главного
вектора-момента
на координатные оси имеем
;
;
.
По найденным
проекциям главного вектора
определим его модуль и направляющие
косинусы:
кГ;
;
;
.
Далее находим
модуль главного вектора-момента
и его направляющие косинусы:
кГм;
;
;
.
Так как главный
вектор
данной системы сил не равен нулю, то эта
система не может быть приведена к одной
паре. Поэтому остается установить,
приводится ли система, состоящая из
главного вектора
,
приложенного в точке О,
и пары с вектором-моментом, равным
главному вектору-моменту
,
к равнодействующей или к динаме. Для
этого составим выражение для второго
инварианта:
.
Так как второй
инвариант нулю не равен, то главный
вектор-момент
не перпендикулярен к главному вектору
,
и, следовательно, данная система из двух
сил приводится к динаме (рисунок 114, а).
Чтобы найти положение центральной оси, составим уравнения (4, §42), которые в рассматриваемой задаче примут вид
,или
;
.
Если положим в
этих уравнениях
,
то найдем координаты точкиА
пересечения центральной оси с координатной
плоскостью хОу
(рисунок 114, б):
;
.
Т
очкуА
пересечения центральной оси с плоскостью
хОу
можно найти и другим путем. Для этого
найдем модуль вектора-момента
(рисунок 114,а):
кГм.
Представляя
вектор-момент
в виде пары (
),
которую он изображает, найдем точкуА,
принадлежащую центральной оси:
м,
т. е. центральная ось данной системы сил проходит через точку А с координатами
;
.
Теперь найдем
модуль М*
вектора-момента
данной системы сил относительно любой
точки, лежащей на центральной оси
(наименьший главный вектор-момент).
Разложим по правилу параллелограмма
главный вектор-момент
относительно точки О
на две составляющие (рисунок 114, а):
,
параллельную
,
и
перпендикулярную
.
Заметим, что первая составляющая является
искомым наименьшим главным вектором-моментом.
Проекция главного вектора-момента
на направления главного вектора
определяется по формуле
.
Подставляя сюда
найденное значение второго инварианта
и модуля главного вектора, получим
кГм.
Так как в данном
случае
,
то параллельные векторы
и
направлены в одну сторону.
