Аксиомы статики - раздел Механика, Теоретическая Механика При Формулировке Аксиом Предполагаем, Что На Твердое Тело Или Материальную То...
При формулировке аксиом предполагаем, что на твердое тело или материальную точку действуют силы, которые указаны в соответствующей аксиоме.
I. Аксиома о равновесии системы двух сил. Для равновесия системы двух сил, приложенных к точкам твердого тела (рис. 7), 
необходимо и достаточно, чтобы эти силы были равны пол модулю и действовали вдоль одной прямой, проходящей через точки их приложения, в противоположных направлениях.
II. Аксиома о добавлении (отбрасывании) системы сил, эквивалентной нулю. Если на твердое тело действует система сил, то к ней можно добавить (отбросить) систему сил, эквивалентную нулю. Полученная после добавления (отбрасывания) новая система сил является эквивалентной первоначальной системе сил. Под действием заданной системы сил и новой, полученной после добавления (отбрасывания) равновесной системы сил, тело будет двигаться (или находиться в покое) совершенно одинаково при прочих равных условиях.
III. Аксиома параллелограмма сил. Две силы, действующие в одной точке твердого тела или на одну материальную точку, можно заменить одной равнодействующей силой, равной по модулю и направлению диагонали параллелограмма, построенного на заданных силах (рис. 8). Очевидно, справедливо и обратное. Одну силу, приняв за равнодействующую, можно разложить по правилу параллелограмма на две составляющие силы.
Замену двух сил одной равнодействующей силой по правилу параллелограмма называют векторным сложением этих сил. Векторное сложение сил 
и 
математически выражают так:
.
Модуль 
равнодействующей силы как векторную сумму сил вычисляют по формуле диагонали параллелограмма
.
IV. Аксиома о равенстве сил действия и противодействия. Всякой силе действия есть равная, но противоположная сила противодействия. По отношению к двум материальным точкам эта аксиома утверждает, что силы взаимодействия двух материальных точек равны по модулю, противоположны по направлению и действуют вдоль одной прямой, проходящей через взаимодействующие точки.
V. Аксиома связей. Связью для твердого тела или материальной точки называют материальные объекты (тела и точки), которые ограничивают свободу перемещения рассматриваемого твердого тела или материальной точки. Аксиома связей утверждает, что всякую связь можно отбросить и заменить силой, реакцией связей (в простейшем случае) или системой сил (в общем случае).
Приведем примеры связей и их замены силами реакций связей. Если связью для твердого тела (рис. 9,а) является абсолютно гладкая поверхность другого тела, то сила реакции такой поверхности, если соприкосновение происходит в одной точке, направлена по нормали к общей касательной соприкасающихся поверхностей тел независимо от сил, приложенных к рассматриваемому телу (рис. 9,б). Сила реакции связи 
направлена в сторону, противоположную направлению, в котором связь препятствует перемещению рассматриваемого тела.
а) б)
Рис. 9
Числовое значение силы реакции при равновесии определяется приложенными к телу силами, которые в отличие от сил реакций связей часто называют активными силами.
Неизвестную по модулю и направлению силу реакции создают цилиндрический (плоский) и шаровой шарниры. Пусть имеем балку АВ, находящуюся в равновесии под действием силы 
и закрепленную на одном конце с помощью цилиндрического шарнира А, а на другом – катковой опоры В (рис. 10, а). Цилиндрическим шарниром называют устройство, позволяющее балке поворачиваться в плоскости вокруг оси, перпендикулярной этой плоскости. Устройство катковой опоры ясно из рисунка. На рис. 10,б показана та же балка после освобождения от связей. Сила реакции катковой опоры направлена по нормали к плоскости движения катков. Неизвестная по модулю и направлению реакция цилиндрического шарнира разложена на две составляющие 
и 
, предположительно направленные в положительном направлении осей координат.
а) б)
Рис. 10
В случае шарового шарнира силу реакции раскладывают на три составляющие, параллельные осям координат.
Гибкие связи (канаты, тросы, нити) дают силы реакции связей (силы натяжения), направленные по касательной к гибкой связи. На рис. 11,а,б сила натяжения нити 
заменяет действие нити на груз. На рис. 12,а,б показаны силы натяжения провода в сечениях А и В, действующих на часть провода АВ.
а) б)
Рис. 12
Жесткая заделка. Запрещает любое поступательное перемещение тела, в общем случае ее реакция состоит из произвольно направленной силы реакции заделки и момента заделки. При решении задач их раскладывают на составляющие по осям координат.
VI. Аксиома затвердевания. Если деформируемое тело находится в равновесии, то равновесие его без изменения системы приложенных сил не нарушится от наложения на точки тела дополнительных связей, включая превращение деформируемого тела в абсолютно твердое.
Все темы данного раздела:
Алгебраический момент силы относительно точки
Алгебраическим моментом силыотносительно точки называют произведение модуля силы на плечо силы относите
Векторный момент силы относительно точки
Векторным моментом с
Момент силы относительно оси
Моментом силы относительно оси называют алгебраический момент проекции этой силы на плоскость, перпендикулярную оси, относительно точки пересечения оси с этой плоскостью (рис. 4). Момент сил
Пара сил и алгебраический момент пары сил
Парой сил называют систему двух равных по модулю параллельных сил, направленных в противоположные стороны
Простейшие теоремы статики
Теорема о переносе силы вдоль линии действия: Действие силы на твердое тело не изменится от переноса
Теорема о трех силах: если твердое тело под действием трех сил
Приведение системы сил к простейшей системе. Условия равновесия
Лемма о параллельном переносе сил: силу можно переносить параллельно самой себе в любую точку твердого тела, добавляя при этом пару сил, векторный момент которой равен векторному моменту
Равновесие пар сил
Если на твердое тело действуют пары сил, как угодно расположенные в пространстве, то эти пары сил можно заменить одной эквивалентной парой сил, векторный момент которой равен сумме векторных момент
Условия равновесия произвольной системы сил в векторной форме
Векторные условия равновесия произвольной системы сил: для равновесия системы сил, приложенных к твердому телу, необходимо и достаточно, чтобы главный вектор системы сил был равен нулю и главный
Условия равновесия пространственной системы сходящихся сил
Для равновесия пространственной системы сходящихся сил, приложенных к твердому телу, необходимо и достаточно, чтобы суммы проекций сил на каждую из трех прямоугольных осей координат были равны н
Условия равновесия плоской системы сил
Расположим оси и в плос
Центр параллельных сил
Пусть на тело действует система параллельных сил . Такая система имеет равнодействующую
Способы нахождения центра тяжести
Симметричные тела. Если тело имеет плоскость (ось, центр) симметрии, то его центр тяжести находится в этой плоскости (на оси, в центре).
Распределенные силы
В статике рассматривают силы, приложенные к твердому телу в какой-либо его точке, и поэтому такие силы называют сосредоточенными. В действительности обычно силы бывают приложены к какой-либо
Трение скольжения
При движении или стремлении двигать одно тело по поверхности другого в касательной плоскости поверхностей соприкосновения возникает сила трения скольжения (трение первого рода).
Пус
Трение качения
Если одно тело, например цилиндрический каток, катить или стремиться катить по поверхности другого тела, то кроме силы трения скольжения из-за деформации поверхностей тел дополнительно возникает па
Решение задач статики
Пример 1.На угольник (
Кинематика точки
В кинематике точки рассматриваются характеристики движения точки, такие, как скорость, ускорение, и методы их определения при различных способах задания движения. Важным в кинематике точки является
Скорость и ускорение точки
Одной из основных характеристик движения точки является ее скорость относительно выбранной системы отсчета, ко
Частные случаи движения точки
Равномерное движение. При равномерном движении точки по траектории любой формы , следовательно, постоян
Кинематика твердого тела
Числом степеней свободы твердого тела называют число независимых параметров, определяющих положение тела относительно рассматриваемой системы отсчета.
Движение твердого тела во мног
Поступательное движение твердого тела
Поступательным движением твердого тела называют такое его движение, при котором любая прямая, жестко скрепленная с телом, остается параллельной своему первоначальному положению в каждый моме
Вращение твердого тела вокруг неподвижной оси
Вращением твердого тела вокруг неподвижной оси (оси вращения) называется такое его движение, при котором точки тела, лежащие на оси вращения, остаются неподвижными в течение всего времени дв
Частные случаи вращения твердого тела
Вращение называется равномерным, если . Алгебраическая угловая скорость отличается от модуля угловой ск
Скорости и ускорения точек тела при вращении вокруг неподвижной оси
Известно уравнение вращения твердого тела вокруг неподвижной оси (рис. 29). Расстояние
Векторы угловой скорости и углового ускорения
Введем понятия векторов угловой скорости и углового ускорения тела. Если – единичный вектор оси вращения, напр
Векторные формулы для скоростей и ускорений точек тела
Выразим скорость, касательное, нормальное и полное ускорения точки тела в векторной форме (рис. 32). Скорость точки по модулю и направлению можно представить векторным произведением
Сложное движение точки
Для изучения некоторых, более сложных видов движений твердого тела целесообразно рассмотреть простейшее сложное движение точки. Во многих задачах движение точки приходится рассматривать относительн
Ускорение Кориолиса
Рассмотрим ускорение Кориолиса и его свойства. Оно определяется формулой (81)
.
Угловую ско
Плоское (плоскопараллельное) движение твердого тела
Плоским движением твердого тела называют такое его движение, при котором каждая его точка все время движется в одной и той же плоскости. Плоскости, в которых движутся отдельные точки, паралл
Скорости точек плоской фигуры
Применяя к плоскому движению теорему о сложении скоростей для какой-либо точки фигуры, получаем
Мгновенный центр скоростей
В каждый момент вр
Ускорения точек плоской фигуры
Рассматривая плоское движение плоской фигуры как сложное, состоящее из переносного поступательного вместе с полюсом
Мгновенный центр ускорений
В каждый момент движения плоской фигуры в своей плоскости, если и
Решение задач кинематики
Пример 3.
Даны уравнения движения точки в плоскости :
Аксиомы динамики
I. Первая аксиома (законом классической механики, закон инерции): материальная точка, на которую не действуют силы или действует равновесная система сил, обладает способност
Дифференциальные уравнения движения материальной точки
Используя основной закон динамики, можно получить дифференциальные уравнения движения материальной точки в различных системах координат. По аксиоме о связях и силах реакций связей можно получить ди
Первая задача
Зная массу точки и ее закон движения, можно найти действующую на точку силу. Действительно, если, например, заданы уравнения движения точки в декартовой системе координат
Вторая задача
По заданной массе и действующей на точку силе необходимо определить движение этой точки. Рассмотрим решение этой задачи в прямоугольной декартовой системе координат. В общем случае сила
Дифференциальные уравнения относительного движения материальной точки
Имеем инерциальную систему отсчета и материальную точку массой
Центр масс
При рассмотрении движения твердых тел и других механических систем важное значение имеет точка, называемая центром масс. Если механическая система состоит
Моменты инерции относительно точки и оси
Моментом инерции механической системы, состоящей из
Теорема Штейнера
Установим зависимость
Однородный стержень
Имеем однородный стержень длиной и массой
Прямоугольная пластина
Прямоугольная тонкая пластина имеет размеры и
Сплошной диск
Имеем тонкий однородный диск радиусом и массой
Тонкое кольцо (круглое колесо)
Имеем тонкое кольцо радиусом и массой
Круглый цилиндр
Для круглого однородного цилиндра, масса которого , радиус
Теоремы динамики
Внешними силами механической системы называются силы, с которыми действуют на точки системы тела и точки, не входящие в рассматриваемую систему.
Внутренними силами механическ
Теорема о движении центра масс
Центр масс системы движется так же, как и материальная точка, масса которой равна массе всей системы, если на точку действуют все внешние силы, приложенные к механической системе:
Количество движения точки и системы
Количеством движения материальной точки называют вектор, равный произведению массы точки
Теорема об изменении количества движения точки
Теорема об изменении количества движения точки в дифференциальной форме: первая производная по времени от количества движения точки равна действующей на точку силе:
Теорема об изменении количества движения системы
Теорема об изменении количества движения системы в дифференциальной форме: производная по времени от количества движения системы равна векторной сумме всех внешних сил, действующих на сис
Законы сохранения количества движения
Законы сохранения количества движения системы получаются как частные случаи теоремы об изменении количества движения для системы в зависимости от особенностей системы внешних сил, приложенных к рас
Теорема об изменении кинетического момента
Для материальной точки массой , движущейся со скоростью
Теорема об изменении кинетического момента точки
Первая производная по времени от кинетического момента точки относительно какого-либо центра равна моменту силы относительно того же центра:
Теорема об изменении кинетического момента системы
Первая производная по времени от кинетического момента системы относительно какой-либо точки равна векторной сумме моментов внешних сил, действующих на систему, относительно той же точки.
Законы сохранения кинетических моментов
1. Если главный момент внешних сил системы относительно точки равен нулю, т. е.
Дифференциальное уравнение вращения твердого тела вокруг неподвижной оси
Из теоремы об изменении кинетического момента (172') следует дифференциальное уравнение вращения твердого тела вокруг неподвижной оси
Теорема об изменении кинетического момента системы в относительном движении по отношению к центру масс
Пусть механическая система совершает движение относительно основной системы координат . Возьмем подвижную сист
Дифференциальные уравнения плоского движения твердого тела
Для твердого тела, совершающего плоское движение и, следовательно, имеющего три степени свободы, соответственно получим следующие три дифференциальных уравнения:
Работа силы
Работа силы на каком-либо перемещении является одной из основных характеристик, оценивающих действие силы на этом перемещении.
Кинетическая энергия
Кинетическая энергия точки и системы. Кинетической энергией материальной точки называют половину произведения массы точки на квадрат ее скорости, т.е.
Теорема об изменении кинетической энергии точки
Теорема об изменении кинетической энергии точки в дифференциальной форме: дифференциал кинетической энергии точки равен элементарной работе силы, действующей на точку.
Теорема об изменении кинетической энергии системы
Теорема об изменении кинетической энергии системы в дифференциальной форме: дифференциал от кинетической энергии системы равен сумме элементарных работ всех внешних и внутренних си
Принцип Даламбера для материальной точки
Принцип Даламбера для свободной материальной точки эквивалентен основному закону динамики. Для несвободной точки он эквивалентен основному закону вместе с аксиомой связей.
Уравнение движен
Принцип Даламбера для системы материальных точек
Рассмотрим систему материальных точек. К каждой точке системы в общем случае приложены равнодействующая актив
Силы инерции твердого тела в частных случаях его движения
При поступательном движении. Если твердое тело движется поступательно, то ускорения его точек одинаковы. Силы инерции этих точек составляют систему параллельных сил, направленных в од
Возможные перемещения
Для одной точки возможным (виртуальным) перемещением называется такое бесконечно милое (элементарное) мысленное перемещение, которое допускается в рассматриваемый момент времени наложенными на т
Элементарная работа силы на возможном перемещении. Идеальные связи
Элементарную работу силы на возможном перемещении ее точки приложения вычисляют по обычным формулам для элементарной работы, т.е.
Принцип возможных перемещений
Принцип возможных перемещений, или принцип Лагранжа, содержит необходимые и достаточные условия равновесия некоторых механических систем. Он формулируется следующим образом: для ра
Обобщенные координаты системы
Пусть система состоит из точек и, следовательно, ее положение в пространстве в каждый момент времени определя
Обобщенные силы
Запишем сумму элементарных работ сил, действующих на точки системы, на возможном перемещении системы:
Вычисление обобщенной силы
1. Обобщенную силу можно вычислить по формуле (227), ее определяющей, т.е.
.
2. Обобщенные
Общее уравнение динамики
Общее уравнение динамики для системы с любыми связями (объединенный принцип Даламбера-Лагранжа или общее уравнение механики):
Уравнения Лагранжа второго рода
Уравнения Лагранжа можно рассматривать как алгоритм получения дифференциальных уравнений движения системы, т.е. дифференциальных уравнений относительно обобщенных координат.
Уравнения Лагр
Решение задач динамики
Пример 7. На вертикальном участке
Библиографический список
1. Никитин Н.Н. Курс теоретической механики: учебник для машиностроит. и приборостроит. спец. вузов / Н.Н. Никитин. – М.: Высш. шк., 1990. 607с.
2. Бутенин Н.В. Курс теоретической механики
Новости и инфо для студентов