3 Основные понятия статики
3.1 Понятие силы и системы сил
Статика - раздел теоретической механики, в котором изучают свойства сил, условия их одновременного действия на тело и условия равновесия тел под действием этих сил.
Все тела в природе взаимодействуют друг с другом. Мерой механического взаимодействия служит особая физическая величина – сила. В Международной системе единиц (СИ) силу измеряют в ньютонах (Н), килоньютонах (кН). Силы, характеризующие взаимодействие одного тела на другое, называют внешними, а силы, характеризующие взаимодействие частиц (частей) данного тела между собой, - внутренними. Силы (нагрузки), действующие на тела, в зависимости от условий их приложения могут быть поверхностными и объемными.
Сила – величина векторная. Для ее характеристики необходимо знать численное значение, направление действия и точку приложения к телу. Например, будем прикладывать к стулу одну и ту же по модулю силу F. При приложении силы сверху вниз стул остается в состоянии покоя; при положении силы снизу вверх – стул поднимается; изменим направление нагружения, приложим силу горизонтально к спинке стула – стул опрокинется. Так как во всех случаях направление и место приложения силы различны, то и результат действия силы на стул разный, несмотря на то, что модуль силы F во всех случаях одинаков. Силу, как и другие векторные величины, изображают в виде направленного отрезка со стрелкой на конце, указывающей его направление.
Скалярная величина (например, температура) характеризуется только величиной и координатами точки, в которой эта величина рассматривается.
Рисунок 1 – Система сил:
а – заданная система сил; б – эквивалентная система сил
Совокупность сил, действующих на тело, называется системой сил. Если под действием сил тело остается в покое или движется равномерно и прямолинейно по отношению к другим телам, то такое состояние тела называется равновесием. Равновесие возможно в том случае, если система сил, действующих на тело, уравновешена. Такую систему сил называют равновесной (уравновешенной) или эквивалентной нулю. Системы сил называются эквивалентными, если их действие на тело одинаково. Например, если системы сил, изображенных на рис. 1,а и рис.1,б, уравновешены, то эти две системы сил будут эквивалентны друг другу.
Так как система сил F1 и F2 эквивалентна одной силе R (рис. 1,б), то сила R называется равнодействующей данной системы сил. Силы F1 и F2 в свою очередь могут называться составляющими силы R.
Изучая действие силы на тело (например, на балку, ферму, колонну и т. п.), можно не учитывать его деформации, т. е. изменения формы и размеров, так как они очень малы по сравнению с размерами самого тела. Поэтому в статике пользуются такими абстрактными понятиями, как абсолютно твердое тело и материальная точка. Абсолютно твердым телом называют такое тело, которое под действием нагрузки не меняет своей формы, т. е. не деформируется. Материальной точкой будет называться абсолютно твердое тело, размерами которого можно пренебречь.