Равновесие системы сходящихся сил.
Из законов механики следует, что твердое тело, на которое действуют взаимно уравновешенные внешние силы, может не только находиться в покое, но и совершать движение, которое мы назовем движением «по инерции». Таким движением будет, например, поступательное равномерное и прямолинейное движение тела.
Отсюда получаем два важных вывода:
1) Условиям равновесия статики удовлетворяют силы, действующие как на покоящееся тело, так и на тело, движущееся «по инерции».
2) Уравновешенность сил, приложенных к свободному твердому телу, является необходимым, но не достаточным условием равновесия (покоя) самого тела; в покое тело будет при этом находиться лишь в том случае, если оно было в покое и до момента приложения к нему уравновешенных сил.
Для равновесия приложенной к твердому телу системы сходящихся сил необходимо и достаточно, чтобы равнодействующая этих сил была равна нулю. Условия, которым при этом должны удовлетворять сами силы, можно выразить в геометрической или аналитической форме.
1. Геометрическое условие равновесия. Так как равнодействующая сходящихся сил определяется как замыкающая сторона силового многоугольника, построенного из этих сил, то может обратиться в нуль тогда и только тогда, когда конец последней силы в многоугольнике совпадает с началом первой,т. е. когда многоугольник замкнется.
Следовательно, для равновесия системы, сходящихся сил необходимо и достаточно, чтобы силовой многоугольник, построенный из этих сил, был замкнут.
|
|
2. Аналитические условия равновесия. Аналитически равнодействующая системы сходящихся сил определяется формулой
.
Так как под корнем стоит сумма положительных слагаемых, то R обратится в нуль только тогда, когда одновременно , т. е. когда действующие на тело силы будут удовлетворять равенствам:
Равенства выражают условия равновесия в аналитической форме: для равновесия пространственной системы сходящихся сил необходимо и достаточно, чтобы суммы проекций этих сил на каждую из трех координатных осей были равны нулю.
Если все действующие на тело сходящиеся силы лежат в одной плоскости, то они образуют плоскую систему сходящихся сил. В случае плоской системы сходящихся сил получим, очевидно, только два условия равновесия
Равенства выражают также необходимые условия (или уравнения) равновесия свободного твердого тела, находящегося под действием сходящихся сил.
Теорема о трех силах. Уравновешенная плоская система трех непараллельных сил является сходящейся.
Условие «плоская» в формулировке теоремы не является необходимым - можно убедиться, что любая уравновешенная система трех сил всегда будет плоской. Это следует из условий равновесия произвольной пространственной системы сил, которые будут рассмотрены далее.
|
|
Пример 1. На рис.4 показаны три силы. Проекции сил на оси х, у, z очевидны:
Рис. 4
|
А чтобы найти проекцию силы на ось х нужно использовать правило двойного проектирования.
Проектируем силу сначала на плоскость хОу, в которой расположена ось (рис.4), получим вектор , величиной а затем его проектируем на ось х: .
Аналогично действуя, найдём проекцию на ось у: .
Проекция на ось z находится проще: .
Нетрудно убедиться, что проекции сил на ось V равны:
;
При определении этих проекций удобно воспользоваться рис.5, видом сверху на расположение сил и осей.
Рис.5
Вернёмся к системе сходящихся сил (рис. 6). Проведём оси координат с началом в точке пересечения линий действия сил, в точке О.
Мы уже знаем, что равнодействующая сил . Спроектируем это векторное равенство на оси. Получим проекции равнодействующей на оси x, y, z:
Они равны алгебраическим суммам проекций сил на соответствующие оси. А зная проекции равнодействующей, можно определить и величину её как диагональ прямоугольного параллелепипеда или
|
|
.
Направление вектора найдём с помощью направляющих косинусов (рис.6):
Рис. 6
Пример 2. На шар, вес которого Р , лежащий на горизонтальной плоскости и привязанный к ней нитью АВ, действует сила F (рис.7). Определим реакции связей.
Рис. 7
Следует сразу заметить, что все задачи статики решаются по одной схеме, в определённом порядке.
Продемонстрируем ее на примере решения этой задачи.
1. Надо выбрать (назначить) объект равновесия – тело, равновесие которого следует рассмотреть, чтобы найти неизвестные.
В этой задаче, конечно, объект равновесия – шар.
2. Построение расчётной схемы. Расчётная схема – это объект равновесия, изображённый отдельно, свободным телом, без связей, со всеми силами, действующими на него: реакциями и остальными силами.
Показываем реакцию нити и нормальную реакцию плоскости – (рис.7). Кроме них на шар действуют заданные силы и .
3. Надо установить какая получилась система сил и составить соответствующие уравнения равновесия.
Здесь получилась система сходящихся сил, расположенных в плоскости, для которой составляем два уравнения (оси можно проводить произвольно):
|
|
4. Решаем систему уравнений и находим неизвестные.
По условию задачи требовалось найти давление шара на плоскость. А мы нашли реакцию плоскости на шар. Но, по определению следует, что эти силы равны по величине, только давление на плоскость будет направлено в противоположную сторону, вниз.
Пример 3. Тело весом Р прикреплено к вертикальной плоскости тремя стержнями (рис.8). Определим усилия в стержнях.
Рис. 8
В этой задаче объект равновесия – узел С вместе с грузом. Он нарисован отдельно с реакциями, усилиями в стержнях и весом . Силы образуют пространственную систему сходящихся сил. Составляем три уравнения равновесия:
Из первого уравнения следует: S2 = S3. Тогда из третьего:
, а из второго:
Когда мы направляли усилие в стержне от узла, от объекта равновесия, предполагали, что стержни работают на растяжение. Усилие в стержне CD получилось отрицательным. Это значит – стержень сжат. Так что знак усилия в стержне указывает как работает стержень: на растяжение или на сжатие.
Пример 4. Определить реакции стержней, соединенных шарниром В, если к нему подвешен груз весом Q (рис.9,а).
Решение. В соответствии с предложенным выше планом выбираем тело, равновесие которого мы будем рассматривать. Этот выбор, в основном, определяется условиями задачи. Если в этой задаче рассмотреть равновесие подвешенного груза, то мы сумеем найти только силу натяжения нити, которая равна весу тела: T = Q (рис.9,б).
Чтобы определить реакции стержней, рассмотрим равновесие точки В. Можно считать, что к ней посредством нити приложена активная сила Q и реакции отброшенных стержней SA и SC (рис.9,в).
Решим эту задачу аналитически. Выбирая начало отсчета в точке В, составим уравнения равновесия, которые примут вид:
-SA cosα + SC cosβ = 0;
SA sinα + SC sinβ = Q.
Чтобы найти отсюда SC сложим полученные уравнения, умножив предварительно первое из них на sinα, а второе – на cosα:
SC (sinαcosβ + cosα sinβ) = Q cosα.
Отсюда следует, что SC = Q cosα/sin(α+β), а поскольку α и β в эти уравнения входят симметрично, то SA = Q cosβ/sin(α+β).
Для проверки правильности аналитического решения задачи воспользуемся графическим методом.
Треугольник, образованный из трех сил: Q, SA и SC должен быть замкнут, поэтому решение сводится к построению треугольника по известной стороне (Q) и направлению двух других сторон(SA и SC). Для этого нужно в масштабе построить вектор Q, а затем из начала и из конца этого вектора провести прямые, параллельные SA и SC до их пересечения (рис.9,г).
Измерив длины найденных отрезков и пересчитав в масштабе, можно считать поставленную задачу решенной. Направление полученных векторов определяется из условия замкнутости силового многоугольника, то есть конец последнего вектора должен совпадать с началом первого.
Рис.9
Можно, впрочем, определить величину SA и SC и без масштабной линейки, если просто решить построенный треугольник.
С этой целью воспользуемся теоремой синусов:
откуда, заменяя синус дополнительного угла косинусом, получим:
То есть, результат графического решения совпадает с аналитическим, значит задача решена правильно.
Пример 5. Центр невесомого идеального блока удерживается при помощи двух стержней, соединенных шарнирно в точке В. Через блок переброшена нить, один конец которой закреплен, а к другому – подвешен груз весом Q (рис.10,а). Определить реакции стержней, пренебрегая размерами блока.
Решение. Рассмотрим равновесие блока В, к которому приложены силы натяжения нитей Т1 и Т2 и реакции отброшенных стержней SA и SС, которые, как и в предыдущем примере мы считаем растянутыми (рис.10,б).
Фактически в качестве активной силы выступает вес груза Q, который приложен к блоку с помощью нити, поэтому Т1 = Q. По поводу силы Т2 надо отметить, что идеальным – то есть без трения блоком называется механизм, который меняет направление силы натяжения нити, но не ее величину, поэтому Т1 = Т2 = Q.
Пренебрегая размерами блока, получим уравновешенную систему сходящихся сил, приложенных в точке В (рис.10,в).
Определим реакции SA и S С аналитически. Отметим, что если в первое из аналитических уравнений равновесия входят оба неизвестных, то в уравнение ΣYi = 0 неизвестная реакция S С не войдет, поэтому имеет смысл начать решение задачи именно с этого уравнения:
SAcos30°+ Т2 cos60°- Т1 = 0.
Подставляя сюда значения тригонометрических функций и Т1 = Т2 = Q, получим:
Откуда
Теперь вернемся к уравнению ΣXi = 0:
- SAcos60°+ Т2 cos30°+ S С = 0,
или
Подставив найденное выше значение SA, получим:
При этом минус в последнем выражении означает, что стержень ВС не растянут, как мы предполагали, а сжат.
Для проверки полученного результата решим эту задачу графически. С этой целью от центра О последовательно откладываем в масштабе известные силы Т1 и Т2, затем от начала первого и от конца последнего вектора проводим прямые, параллельные SA и SС до их пересечения (рис.10,г).
Рис.10
Нетрудно видеть, что построенный силовой многоугольник имеет ось симметрии и |SA|=|S С|. При этом направление вектора SС на силовом многоугольнике противоположно первоначальному направлению, указанному на чертеже, то есть стержень ВС не растянут, а сжат.
Примечания.
1. В системе аналитических уравнений равновесия оси координат не обязательно должны быть взаимно перпендикулярными, поэтому, если в последнем примере выбрать ось О х, совпадающую по направлению с силой Т2 , мы получим систему уравнений, из которых неизвестные SA и SСнаходятся независимо одно от другого.
2. Впоследствии мы увидим, что аналитическое решение можно проверить не только с помощью графического решения, но и аналитически. Впрочем, для системы сходящихся сил изложенный метод решения задач является, по-видимому, оптимальным.
Дата добавления: 2019-01-14; просмотров: 904; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!