2.4. Теорема о трех непараллельных силах

Теорема: если твердое тело находится в равновесии под действием трех непарал­лельных сил, лежащих в одной плоскости, то линии действия этих сил пересекаются в одной точке (рис. 2.8).

Рис. 2.8

Следует иметь в виду, что пересечение линий действия трех непараллельных сил в одной точке является лишь необходимым условием для равновесия твердого тела. Пересечение линий действия трех сил в. одной точке не является достаточным условием, так как равнодействующая этих сил может оказаться не равной нулю. Следовательно, достаточным условием является наличие замкнутого силового треугольника при одновременном пересечении линий действия трех сил в одной точке.

Теорема о трех непараллельных силах значительно облегчает решение задач на равновесие твердого тела в тех случаях, когда направление одной из трех уравновешивающихся сил неизвестно.

Определив точку пересечения линий действия двух сил, направления которых известны, можно указать направление линии действия третьей силы, так как она должна пройти через точку приложения этой силы и точку пересечения линий действия первых двух сил.

2.5. Решение задач на определение реакции связей

Задача 1

Два абсолютно жестких стержня АВ и АС соединены шарниром в точке А и прикреплены к полу шарнирами В и С, образуя с полом соответственно углы 45° и 60° (рис. 2.9 а). К валику шарнира А подвешен на нерастяжимой нити груз D, вес которого Р = 100 Н. Определить усилия, возникающие в стержне АВ и АС. Весом стержней и нити пренебречь.

Решение

Для определения усилий в стержнях АВ и АС следует рассмотреть равновесие шарнира А. Однако непосредственно приступить к исследованию равновесия узла А невозможно, так как он находится в равновесии под действием трех неизвестных сил: сил реакций стержней АВ и АС и реакции нити AD. Поэтому для определения силы реакции нити предварительно рассмотрим равновесие груза D. Груз D находится в равновесии под действием двух сил: веса Р и силы реакции нити Т. Эти силы направлены в противоположные стороны (рис. 2.9 б).

Рис. 2.9

Учитывая условие равновесия груза, получим, что Т = Р = 100 Н.

Теперь, когда одна из трех сил, приложенных к шарниру А, известна, можно изучить равновесие шарнира А. К шарниру А приложена одна известная сила ­ реакция нити Т, направленная по вертикали вниз. Силы реакций N_АВ и N_АС стержней АВ и АС направлены вдоль стержней. На рис. 2.9 в эти три силы изображены приложенными в шарнире А (направлены ли силы N_АВ и N_АС вдоль стержней вверх или вниз уточнится в последующем решении задачи).

Графическое решение задачи

При равновесии шарнира А равнодействующая всех трех сил должна быть равна нулю, следовательно, силы Т, N_АВ и N_АС образуют замкнутый силовой треугольник.

Построение силового треугольника (рис. 2.9, г) начинаем с силы Т, известной по величине и по направлению. Принимаем масштаб построения М = 2 Н / 1 мм

Выбрав точку О, приложим к ней силу Т в выбранном масштабе построений. Длина отрезка графически представляющего вектор Т равняется 50 мм.

Затем, проведя через начало и конец силы Т прямые, соответственно параллельные стержням АС и АВ, получим в пересечении третью вершину Q силового треугольника OSQ. Изобразив на сторонах треугольника SQ и QO стрелки так, чтобы сумма трех сил Т, N_АВ и N_АС равнялась нулю (в каждой из вершин силового треугольника OSQ должен быть расположен конец только одной из трех сил), получим направления сил реакций N_АВ и N_АС и их величину в миллиметрах. Умножив длину в миллиметрах на масштаб, получим:

N_АВ = 51,8 Н, N_АС =73,2 Н.

Аналитическое решение задачи

Принимаем направление оси y параллельно стержню АС, а направление оси x ей перпендикулярно, тогда угол между силой Т и осью y составит 30°, а угол между силой N_АВ и осью x составит 15° (см. рис. 2.9 в).

Составим уравнения равновесия:

 F_x= 0

1) N_АВ cos15° ‑ Tsin30°= 0

 F_y= 0

2) N_АВ sin 15° ‑ T cos 30°+ N_АС = 0;

из уравнения 1 N_АВ = T sin30°/ cos15°= 100 sin30°/ cos15°=51,8 Н;

из уравнения 2 N_АС = T cos 30° ‑ N_АВ sin 15° = 100 cos 30°‑

‑‑ 51,8 sin 15°=73,2Н

Ответ: N_АВ = 51,8 Н, N_АС =73,2 кг.

Задача 2

Однородная балка, вес которой равен Р = 100 Н, прикреплена к полу шарниром А и опирается другим концом в точке В на выступ вертикальной стены. Определить силы реакций выступа В и шарнира, если балка АВ разует угол 30° с горизонтом (рис. 2.10).

Рис. 2.10

Решение задачи

Вес балки Р = 100 Н, являющийся единственной задаваемой силой, приложен в середине балки в точке С и направлен по вертикали вниз. На балку наложены две связи: выступ В и шарнир А. Сила опорной реакции выступа В направлена перпендикулярно к балке. Направление силы реакции шарнира А заранее неизвестно. Однако в данной задаче можно воспользоваться теоремой о трех непараллельных силах и указать направление линии действия силы реакции шарнира А. Действительно, проведя линии действия сил Р и R_B (рис. 1.11 а), определим их точку пересечения О. Так как балка находится в равновесии под действием трех сил Р, R_B и R_A, то линии действия этих сил должны пересечься в одной точке, т. е. линия действия силы реакции шарнира R_A должна пройти через эту точку О. Поэтому проводим линию действия силы реакции шарнира R_А через ее точку приложения — шарнир А и точку О.

Рис. 2.11

Дальнейшее решение задачи не представляет затруднений.

Графический способ решения задачи

Строим замкнутый силовой треугольник. Из точки D, взятой вне основного рисунка, проводим силу Р, приняв масштаб построения М =1 Н/1 мм. Через начало и конец силы Р ( отрезок DE = 100 мм) проводим прямые DN и ЕК, соответственно параллельные линиям действия сил R_А и R_В (рис.2.11 б). В точке пересечения прямых DN и ЕК находим третью вершину М силового треугольника DEM. Направляем векторы сил так, чтобы в каждой из вершин силового треугольника был расположен конец одной из сил. Определяем длину отрезков EM и MD, с учетом выбранного масштаба:

R_B = 44,97 Н и R_A = 65,06 Н.

Аналитический способ решения задачи

Принимаем направление оси y параллельно реакции R_B, а направление оси x ей перпендикулярно, тогда угол между силой P и осью y составит 30°, а угол между силой R_А и осью x нам неизвестен ‑ обозначим его α (рис. 2.12).

Определим угол α.

Из прямоугольного треугольника ОВС: ОВ = ВС/tg30° = a/0.577

Из прямоугольного треугольника ОВА: tg α = ОВ/АВ = a/(0.577*2a) = 0.866.

Отсюда α = 40°54'38''

Рис. 2.12

Составим уравнения равновесия:

 F_x= 0;

1) ‑ R_А cos40°54'38''+ P sin30°=0;

 F_y= 0;

2) R_А sin 40°54'38''- P cos 30°+ R_B = 0;

из уравнения 1 R_А = P sin30°/ cos 40°54'38'' = 100 sin30°/cos 40°54'38'' = 66,14 Н;

из уравнения 2 R_B = P cos 30° ‑ R_А sin 40°54'38'' = 100 cos 30°‑

‑ 66,14 sin40°54'38'' = 43,3 Н.

Ответ: R_А = 66,14 Н, R_B =43,3 Н.