книги из ГПНТБ / Гернет М.М. Курс теоретической механики учеб. для вузов
.pdfможем дать самолету воображаемое перемещение по плоскости аэро дрома, которое не нарушает связи. Всякое мысленное бесконечно малое перемещение тела, материальной точки или механической си стемы, не нарушающее наложенной связи, называют возможным, или виртуальным, перемещением1. Так, в нашем примере для самолета виртуальным перемещением является всякое воображаемое бесконечно малое перемещение его по плоскости аэродрома. Перемещение, хотя бы мысленное, самолета над аэродромом не относится к числу вир туальных, так как оно нарушает связь.
|
|
|
Реакции связи |
направлены перпендику- |
Реакция |
идеальной связи |
Л Я Р Н 0 виртуальным перемещениям. Плос- |
||
направлена |
перпендикулярно |
костью виртуальных перемещений для рас- |
||
виртуальным |
перемещениям |
сматриваемого |
самолета является горизон |
|
|
|
|
тальная плоскость, реакции же аэродрома |
|
на самолет |
перпендикулярны виртуальным перемещениям, они верти |
|||
кальны. |
|
|
|
|
Если тело находится на наклонной плоскости (см. рис. 5), то
виртуальным |
его перемещением является перемещение по плоскости, |
а реакция RlV |
перпендикулярна этой плоскости. Отметим, что, го |
воря о реакции, мы подразумеваем так называемую идеальную реак
цию, а не |
реакцию |
с |
трением, как |
называют |
равнодействующую, |
полученную |
от сложения идеальной |
реакции с |
силой трения. О на |
||
справлений |
реакций |
с |
трением будет |
сказано ниже (см. § 14). Реак |
|
ции связей, осуществляемых в виде нитей и шарниров, будут разоб раны ниже в конкретных примерах и задачах.
С понятием связи и с виртуальными перемещениями мы ознако мимся более подробно в главах X I X и X X .
1 Лат. virtualis—возможный, который может быть.
Г Л А В А III
СИСТЕМА сходящихся СИЛ
§ 5. УСЛОВИЕ РАВНОВЕСИЯ СИСТЕМЫ СХОДЯЩИХСЯ СИЛ
В ГЕОМЕТРИЧЕСКОЙ ФОРМЕ
Метод последовательного сложения сил.
Изучение статики начнем с простейшего случая, а именно с системы сходящихся сил, т. е. таких сил, приложенных к твер дому телу, линии действия которых пере секаются в одной точке. Всякую силу
можно переносить вдоль линии действия. Мы имеем право перенести все эти силы в точку пересечения их линий действия и рассматри-
L
К
а)
Рис. 7
вать систему сходящихся сил как пучок сил, приложенных к одной материальной частице. Если все силы расположены в одной плоско сти, то пучок называют плоским пучком сил, или плоской системой сходящихся сил, в противном случае пучок называют пространст венным.
Одной из задач статики является преобразование систем сил в системы, им эквивалентные. Неуравновешенная система сходя щихся сил может быть заменена одной силой, эквивалентной данной системе сходящихся сил и называемой равнодействующей пучка сил. Определить величину и направление равнодействующей, или, как говорят, привести систему сходящихся сил к равнодействующей, можно различными способами.
Познакомимся сначала со способом последовательного сложения сил пучка по правилу параллелограмма.
Пусть дана система нескольких сил (например, четырех сил), линии действия которых пересекаются в точке О. Перенеся все силы к этой точке, изобразим их (рис. 7, а) в некотором масштабе векто рами: Рг ==ОЛ; F2 = OB; F3 = 0C; Fi = OD. Обратимся сначала к ка-
ким-либо двум из сил пучка, например к силам F1 и F s . Эти силы приложены к точке О и направлены под углом друг к другу. Можно заменить обе эти силы одной, изображаемой (в том же масштабе)
диагональю ОЕ параллелограмма, построенного на этих силах как на сторонах. Обозначим эту равнодействующую двух сил Rl2:
|
|
|
|
|
Ri, |
= K + |
Ft- |
|
|
|
|
|
|
Мы имеем |
теперь систему трех сил |
R12, |
Fa |
и Fit |
|
эквивалентную |
|||||||
системе четырех сил Flt |
F2, F3 и Ft. |
|
|
|
|
|
|
|
|||||
Складывая |
по |
правилу |
параллелограмма |
силу |
R12 |
с |
какой-либо |
||||||
из оставшихся |
сил |
пучка, |
например с |
силой |
Fs, |
и |
заменяя обе эти |
||||||
силы одной силой |
|
R1M, |
изображаемой диагональю |
ОК |
параллело |
||||||||
грамма ОСКЕ, |
мы |
получим систему двух сил |
R1M |
|
и Ft, |
причем |
|||||||
|
|
|
|
|
« 1 2 3 = |
« 1 2 4" ^ 3 |
|
|
|
|
|
|
|
или, имея в виду |
|
предыдущее |
равенство, |
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
« 1 2 3 = ^ г + ? г |
+ Р а |
|
|
|
|
|
|
||
складывая |
по |
закону |
|
параллелограмма $ 1 2 3 |
и |
F4 , |
найдем равно |
||||||
действующую-всей системы четырех сходящихся сил:
OL^F. + F^F. + |
F^R. |
Этим методом последовательного сложения можно найти равно действующую любого количества сходящихся сил, в частности про странственной системы сходящихся сил, поскольку всякие две силы пространственного пучка обязательно лежат в какой-либо плоскости (две пересекающиеся прямые всегда лежат в одной плосквсти), а равнодействующая двух этих сил лежит в какой-либо плоскости со всякой другой силой пучка. Символически это записывают так:
*=2iFі k |
= R, или |
проще: %F = R. |
(1) |
Как видно из хода |
нашего |
доказательства, последовательность, |
|
в которой силы пучка складывают по правилу параллелограмма, не
влияет на результат, |
т. е. |
от перемены мест слагаемых геометричес |
||
кая сумма не |
изменяется |
(рис. 7, а и |
б). |
|
—>• |
— |
— * |
—*. |
— — » . |
^1284 ~ « 2 1 4 3 ~ « 2 4 3 1 = « 1 4 2 3 ^ « 1 2 4 3 = « 2 3 4 1 И Т - Д -
При построении силового многоугольника складывае мые силы чертят последова тельно одну за другой так, чтобы начало каждого век тора совпадало с концом предыдущего. Начало век тора равнодействующей сов падает с центром пучка, а конец — с концом послед него' приложенного вектора
Метод силового многоугольника. Взглянув на чертеж (рис. 7, а), нетрудно заметить, что, складывая силы пучка по методу последовательного применения правила параллелограмма, мы провели на этом чертеже много лишних линий. Для нахож дения равнодействующей 0L можно было не чертить линии BE, ОЕ, С/С, ОК., DL.
Равнодействующую OL можно найти значительно проще. Для этого нужно от конца одного из слагаемых векторов, на пример от точки А (рис. 8), отложить век
тор, равный и параллельный вектору какой-либо другой из слагае мых сил, например АЕ = ОВ. ЭТИМ положение точки £ вполне опре делено и нет надобности чертить линии BE и ОЕ предыдущего чертежа. Если складывать силы в той же последовательности, какой мы ТОЛЬКО ЧТО придерживались (см. рис. 7, а), то для нахождения
точки К надо отложить от точки Е вектор ЕК, равный вектору ОС, а для нахождения точки L нужно лишь отложить от точки К век тор KL, равный вектору OD. Но коль скоро точка L найдена, то для нахождения равнодействующей остается только провести век тор 0L.
Таким образом, для приведения системы сходящихся сил к рав нодействующей нужно от конца вектора одной из сил пучка отло
жить вектор, равный вектору какой-либо другой силы пучка, от его конца отложить вектор, равный вектору какой-либо
третьей |
силы |
пучка, |
и т. д., |
пока |
не будут таким |
L |
|||||
образом |
отложены все силы |
системы. Для нахож |
|
||||||||
дения равнодействующей системы сил нужно соеди |
|
||||||||||
нить |
центр пучка с |
концом |
последнего |
отложен |
|
||||||
ного |
вектора. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Ломаную OAEKL |
называют силовым |
многоуголь D |
|
||||||||
ником. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Последовательность, в |
которой |
прикладывают |
|
||||||||
эти |
векторы |
друг к |
другу, |
не |
имеет |
значения, |
Рис. 8 |
||||
так как геометрическая сумма подчиняется |
за |
|
|||||||||
кону |
переместительности, |
т. е. не |
зависит |
от перемены мест сла |
|||||||
гаемых. |
Но |
нужно |
твердо |
помнить, |
что |
векторы |
прикладывают |
||||
так, чтобы начало каждого последующего приложенного вектора
совпадало с концом предыдущего. |
Тогда, |
обходя |
последовательно |
вершины силового многоугольника |
OAEKL, |
будем |
все время пере |
двигаться в направлении, указанном стрелками, я только равнодей ствующая 0L направлена иначе: в точке L она соединяется с век тором KL концами, а в точке 0 (в центре пучка)—с вектором OA на чалами.
33 |
2 № 784 |
ч
Способ силового многоугольника справедлив для всякой системы векторов, приложенных к одной точке, однако он удобнее в приме
нении |
к |
плоским |
пучкам, |
так как |
плоские |
графические |
построения |
|
|
|
|
просты и |
наглядны. |
|
|
|
|
|
|
Условие |
равновесия пучка сил в геометри- |
||
Для равновесия системы схо- |
ческой форме. Система сходящихся сил |
||||||
дящихся |
сил необходимо и |
всегда может быть |
приведена |
к равнодей- |
|||
достаточно, |
чтобы |
силовой |
„ г, |
1 |
г |
||
ствующеи R, за исключением одного слу-
чая: R — 0. Этот случай имеет особое зна чение для статики и на нем необходимо остановиться подробнее.
Если равнодействующая пучка сил равна нулю, то, следовательно, эквивалентна нулю и вся система сходящихся сил, т. е. наличие
К
Рис. 9 |
Рис. 10 |
системы эквивалентно ее отсутствию. Такие системы мы назвали уравновешенными. Следовательно, если равнодействующая системы сходящихся сил равна нулю, то система находится в равновесии. Очевидно, что справедливо и обратное заключение: если система сил находится в равновесии, то равнодействующая системы равна нулю.
В силовом многоугольнике равенство нулю равнодействующей выражается в том, что конец вектора последней силы совпадает с началом вектора первой силы, т. е. многоугольник является замк нутым. Замкнутость силового многоугольника является необходимым и достаточным условием равновесия пучка сил в геометрической фор ме 1 . Такой случай изображен на рис. 9 и может быть записан так:
|
|
|
|
|
|
|
2^ = |
0. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(2) |
Задача № 1. Тело находится в покое |
под |
действием |
трех |
сил, |
одна |
из |
кото |
|||||||||||
рых Fx=\2H |
|
и |
направлена |
вертикально |
вниз, |
другая |
F 2 |
= |
9 н |
и |
направлена |
|||||||
горизонтально влево. Определить |
величину |
и направление |
третьей силы |
(рис. 10, а). |
||||||||||||||
Решение. |
Приступая к решению какой бы то ни было задачи, нужно |
'внимательно |
||||||||||||||||
прочитать |
условие, обязательно |
уяснить, |
что |
именно |
требуется |
определить, |
наме |
|||||||||||
тить |
ход |
решения и уже после этого приступать к |
вычислениям. |
|
|
|
|
|||||||||||
1 |
Это |
условие |
доказано |
впервые Стевином |
(1605 |
г.) для |
случая |
трех |
сил, две |
|||||||||
из которых |
взаимно |
перпендикулярны, и |
Робервалем |
(1636 |
г.)—для |
трех |
произ |
|||||||||||
вольно направленных |
сил. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
В данной задаче |
|
тело |
находится |
под |
действием трех |
сил, две из которых |
|||||||||
даны, а третью |
требуется найти. Тело |
покоится, |
следовательно, система действую |
||||||||||||
щих |
на него сил находится |
в |
равновесии. |
Так как |
сил только |
три и они непа |
|||||||||
раллельны |
и взаимно |
уравновешены, |
то линии |
действия |
их пересекаются в |
одной |
|||||||||
точке, т. е. мы имеем |
пучок сил. |
|
А 1р |
|
|
|
|
|
|
|
|||||
Теперь |
нетрудно |
наметить |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
ход решения: рассмотреть равно- |
|
Щ, |
|
|
|
|
|
|
|
||||||
весие пучка |
трех |
сил, действую- |
|
Iv^ |
|
|
|
|
|
|
|
||||
щих |
на тело, составить сило- |
|
АШ |
|
|
|
|
|
|
|
|||||
вой |
многоугольник |
|
(треуголь- |
|
cj Ц |
|
|
|
|
|
|
|
|||
ник), |
из которого |
определить |
"~ |
|
|
|
|
|
|
|
|||||
неизвестную |
силу. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Последовательность, в кото |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
рой |
расположены силы много |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
угольника, |
не |
имеет |
принци |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
пиального значения, однако |
на |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
чинать построение следует всегда |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
с известных сил. Чертим вектор |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
силы |
Л В = 12 н |
и от его |
кон |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
ца—вектор силы ВС= 9 н, при |
|
|
|
б). |
|
|
|
|
|
||||||
чем |
желательно |
соблюдать |
масштаб' (рис. 10, |
Но |
на |
тело |
действует |
еще |
|||||||
одна (неизвестная) сила, и силовой многоугольник должен быть замкнутым. Сле
довательно, |
эта сила |
должна |
изображаться отрезком |
СА. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||
|
Треугольник |
ABC |
прямоугольный, |
а |
потому |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
FB |
= CA = VЛВ2 |
+ ВС 2 = Y 122 |
+ 9' 2 =15 н |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
cos а = т |
=15= 0,6. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
О т в е т . |
F3— |
15 |
н |
(1,53 |
кГ), |
направлена |
вправо |
и |
вверх |
под |
углом |
|||||||||||||||||
a = arccos0,6 |
к горизонтали |
и проходит |
через |
точку |
пересечения линий |
|
действия |
||||||||||||||||||||||
двух данных сил. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ВС, |
||||||
|
Тот |
же результат |
мы |
получили бы, если |
бы раньше начертили |
силу |
|||||||||||||||||||||||
а от ее конца |
провели |
бы силу |
АВ |
(рис. 10, в). |
|
|
|
|
стене АВ |
|
|
|
|
||||||||||||||||
|
Задача |
№ 2. |
(№ 2.19, |
29 М1 ). |
К |
вертикальной |
гладкой |
подвешен |
|||||||||||||||||||||
однородный |
шар О на |
веревке |
АС, |
Веревка |
составляет |
со |
стеной |
угол |
а, |
вес |
|||||||||||||||||||
шара Р . Определить натяжение |
веревки Г и давление |
Qiuapa на стену (рис. И , а). |
|||||||||||||||||||||||||||
|
Решение. |
|
Первый вопрос, |
который, |
решая |
задачу |
по |
статике, следует |
перед |
||||||||||||||||||||
собой |
поставить, |
почти |
всегда |
бывает |
один и тот же: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
|
1) р а в н о в е с и е к а к о г о |
|
о б ъ е к т а |
( т о ч к и , т е л а ) |
н у ж н о |
р а с |
|||||||||||||||||||||||
с м о т р е т ь ? |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
Ответить |
на этот |
вопрос |
не всегда бывает просто. В данной задаче обе иско |
|||||||||||||||||||||||||
мые силы (Q и Т) действуют |
|
на стену: |
шар давит |
на стену с силой Q, а |
натя |
||||||||||||||||||||||||
жение |
веревки, |
прикрепленной |
в точке |
А стены, |
действует на стену по направ |
||||||||||||||||||||||||
лению |
веревки вниз. |
Между |
|
тем за |
отсутствием |
всех |
необходимых |
данных (вес |
|||||||||||||||||||||
и размеры |
стены, |
реакции |
фундамента |
|
и т. п.) |
мы не имеем |
возможности |
рас |
|||||||||||||||||||||
сматривать |
равновесие |
стены, |
а потому |
|
будем |
рассматривать |
|
равновесие |
шара, |
||||||||||||||||||||
так |
как |
в |
условии |
задачи |
относительно |
него |
приведены |
необходимые |
данные; |
||||||||||||||||||||
вес |
его известен, |
на |
него |
действуют |
натяжение Т |
веревки |
и давление |
(реакция) |
|||||||||||||||||||||
стены, равное-и противоположное давлению шара |
Q |
на стену. Итак, |
на |
первый |
|||||||||||||||||||||||||
вопрос отвечаем: рассматриваем равновесие шара. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||
|
Второй |
вопрос, |
|
который |
|
нужно |
поставить |
при |
решении |
задачи |
по |
статике, |
|||||||||||||||||
тоже является |
почти |
трафаретным: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
2) к а к и е с и л ы д е й с т в у ю т н а э т о т |
о б ъ е к т ? |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||
|
1 |
Здесь |
и в дальнейшем |
М |
означает: И. В. М е щ е р с к и й . |
Сборник |
задач |
||||||||||||||||||||||
по теоретической механике. «Наука», 1970. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||
|
35 |
|
|
|
|
|
|
|
2* |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Отвечая на этот вопрос, |
нужно перечислить все |
силы, |
действующие на |
тело, |
|||||||||||
и |
по |
возможности |
указать |
их |
точки |
приложения, |
направления |
и |
величины. |
|||||||
Н а шар действуют |
(рис. 11, б): |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
а) вес Р шара. Эта сила приложена к центру |
шара и |
направлена |
по |
верти |
|||||||||||
кали вниз; |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
б) реакция стены, т. е. сила, с которой действует на шар тело, осуществляю |
|||||||||||||||
щее связь |
(стена). Эта реакция |
(обозначим ее |
R) |
приложена |
в той |
точке |
шара, |
|||||||||
в |
которой |
осуществляется |
связь, |
т. е. в |
точке |
касания, |
и направлена |
от |
стены |
|||||||
к |
шару |
перпендикулярно |
плоскости виртуальных |
перемещений |
шара. |
Виртуаль |
||||||||||
ными перемещениями шара (воображаемыми малыми перемещениями шара, не на
рушающими |
его связи |
со стеной) |
являются |
перемещения |
шара |
вдоль |
вертикаль |
|||||||||||||||||
ной |
стены, |
а потому реакция R стены направлена |
горизонтально |
от |
стены |
к |
||||||||||||||||||
центру |
шара; |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
в) натяжение Т веревки, соединяющей точку С на шаре и точку А на стене. |
|||||||||||||||||||||||
Натяжение |
веревки, |
действующее |
|
на |
шар, |
приложено |
к |
шару в |
точке |
С и на |
||||||||||||||
правлено |
вдоль веревки от С по направлению к |
А. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
|
Шар О находится в равновесии под действием трех сил, следовательно, линии |
|||||||||||||||||||||||
действия всех трех сил должны пересекаться |
в одной |
точке |
(рис. |
11, в). Этой |
||||||||||||||||||||
точкой |
является центр О шара. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
центре О, |
|
|
|||||||||
|
Силовой |
многоугольник |
системы |
сил, |
пересекающихся |
в |
должен |
|||||||||||||||||
быть замкнут. Построение силового многоугольника |
начнем |
с |
известной |
силы |
Р, |
|||||||||||||||||||
отложив вертикальный отрезок K.L, изображающий вес |
шара (£>ис. 11, г). |
Осталь |
||||||||||||||||||||||
ные |
силы |
пучка |
известны |
нам |
только |
по |
направлению. |
Отложим |
от |
точки |
L |
|||||||||||||
в направлении другой силы, например в направлении |
реакции |
R |
(горизонтально |
|||||||||||||||||||||
влево), |
отрезок неопределенной |
длины, |
так |
как |
мы |
не знаем |
величины |
силы |
R, |
|||||||||||||||
Мы |
знаем |
|
только, |
|
что |
в вершине |
силового |
многоугольника, |
где |
заканчивается |
||||||||||||||
вектор, |
равный силе |
R, |
начинается |
вектор, |
представляющий |
силу |
Т. |
Он |
направ |
|||||||||||||||
лен |
параллельно |
веревке, |
на |
которой |
висит шар |
(см. рис. 11, а), |
и замыкает |
|||||||||||||||||
силовой многоугольник, т. е. заканчивается в точке К силового многоугольника.
Поэтому от точки К проводим прямую, параллельную силе Т, |
под углом а к вер |
|||||
тикали. Точка N пересечения этой |
прямой |
с |
направлением |
силы R в силовом |
||
многоугольнике позволит определить |
величины искомых сил: |
|
||||
LN = KLtga |
или |
R = |
|
Ptga; |
|
|
міг |
K L |
|
т |
Р |
|
|
NK = |
или |
Т — |
. |
|
||
cos a |
|
|
||||
|
|
|
cos a |
|
||
Найденная нами реакция R стены на шар по закону равенства действия и Противодействия равна и противоположна давлению шара на стену.
О т в е т :
|
Т = -?—; |
Q = P t g |
a. |
|
|
|
|
|
||
|
|
cos |
a |
|
|
|
|
|
|
|
Задача № 3. Чтобы вытянуть автомобиль, застрявший на |
плохой |
дороге, |
||||||||
шофер натянул канат АВ между |
автомобилем и деревом, |
привязав конец |
В к |
де |
||||||
реву на 2 ж выше, |
чем конец А |
к |
автомобилю. |
Затем |
шофер |
встал |
на |
канат |
||
возле автомобиля, |
оттянув канат |
книзу |
собственным весом G = |
770 я = |
78,5 |
кГ, |
||||
после чего перемещался вдоль каната к дереву. Определить силу (натяжение ка
ната), действующую на автомобиль в положении, когда |
шофер |
стоял |
на |
канате |
||||||
в точке С на |
расстоянии |
от дерева: |
1) CD—Юм |
и 2) CD = 2\м, |
считая, что |
канат |
||||
нерастяжим, |
а СА |
горизонтальна. |
|
|
|
|
|
|
|
|
Решение. |
Требуется |
определить |
силу, |
с |
которой |
канат |
тянет |
автомобиль |
||
вперед. Эта сила |
(натяжение каната |
между |
точками С и |
А) приложена |
к точке А |
|||||
автомобиля. По принципу равенства действия и противодействия на точку С дей
ствует сила Гд, равная |
и противоположная |
искомой |
силе, |
действующей на авто |
|||
мобиль. Следовательно, |
для |
определения |
искомой |
силы |
мы |
можем |
рассмотреть |
равновесие точки А или равновесие точки |
С каната. Но |
нам |
неизвестны другие |
||||
силы, действующие на |
точку |
А, зато известна сила |
(вес G |
шофера), |
приложенная |
||
к точке С. Поэтому на первый вопрос, задаваемый при решении задач по статике (равновесие какого тела изучается?), надо ответить: равновесие точки С,
На |
второй |
обычный |
вопрос — какая |
система сил действует |
на это тело (или |
||||||||
на эту |
точку)? — отвечаем: |
на |
точку |
С |
действуют |
три взаимно |
уравновешенные |
||||||
силы: |
1) вес G шофера, |
2) неизвестная |
по величине |
искомая |
сила |
Тд и 3) сила |
Tg |
||||||
натяжения части |
СЕ каната, |
направленная |
под углом а к горизонтали |
^ 2 « = |
^ } ^ |
||||||||
и тоже |
неизвестная по величине (рис. 12, а). |
|
|
|
|
|
|||||||
Силовой многоугольник |
(в данном |
случае треугольник) |
должен |
быть замкут, |
|||||||||
так как система |
находится |
в |
равновесии. |
Построение силового |
многоугольника |
||||||||
начинаем всегда |
с известных |
сил. В данной |
задаче |
известна |
только |
одна сила — |
|||||||
вес шофера. Начертив эту силу |
(рис. 12, б), от конца |
ее построим |
вектор силы |
ТА- |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
S) |
|
|
|
Рис. |
12 |
|
|
|
|
Нам неизвестна величина силы. |
|
Однако |
мы знаем, |
что |
там, где заканчивается |
|||
этот вектор, начинается вектор Тв, |
направленный |
под углом а параллельно ветви |
||||||
СБ каната, |
и заканчивается Тд |
в той |
точке силового |
многоугольника, где начи |
||||
нается вектор силы G, так как силовой многоугольник должен быгь замнут. Под |
||||||||
углом а к |
горизонтали проведем |
от этой |
точки |
прямую |
до пересечения с гори |
|||
зонтальной |
прямой, по которой |
направлен |
вектор |
Г д |
в силовом многоугольнике. |
|||
Эта точка пересечения определит нам весь треугольник, а следовательно, и иско
мую силу |
ТА. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Построив силовой |
многоугольник, переходим |
к вычислению:' |
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
TA=.Gctga |
= |
G-CD:2. |
|
|
|
|
|
|||
О т в е т : |
1) 7 ^ = 3850 н = 392,5 |
кГ; |
2) Г й = 770 |
н = |
78,5 |
кГ. |
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
Составляющие |
силы. |
Займемся |
обратной |
|||||||
Данную силу можно разло- |
задачей — разложением силы на составляю- |
||||||||||||||
|
|
|
~Г |
|
|
|
|
|
|
|
|||||
жить |
по |
двум |
заданным |
Щ и е - сходящимися |
составляющими |
|
силами |
||||||||
направлениям на |
плоскости |
называют такие силы, которые, будучи |
|||||||||||||
или по трем заданным на- |
приложены |
в одной точке с данной |
силой, |
||||||||||||
правлениям |
в пространстве |
в с |
в |
о е и |
совокупности |
эквивалентны |
дан |
||||||||
|
|
|
|
|
ной |
силе. |
|
|
|
|
|
|
|
||
Эта задача — разложение |
силы |
на |
сходящиеся |
составляющие — |
|||||||||||
не имеет однозначного |
решения, так как существует бесчисленное |
||||||||||||||
множество систем сходящихся |
|
сил, для которых данная сила |
является |
||||||||||||
равнодействующей. |
Но |
в некоторых частных случаях она имеет |
|||||||||||||
вполне определенное решение. К таким случаям относится |
разложе |
||||||||||||||
ние |
силы |
на |
две |
составляющие, |
имеющие |
заданные направления |
|||||||||
в одной с ней |
плоскости. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
Пусть, например, силу АВ надо разложить на две составляющие: вертикальную и горизонтальную (рис. 13, а). Проведя заданные на правления из начала и конца вектора силы, мы получим паралле лограмм (прямоугольник) ACBD, диагональ которого АВ является равнодействующей, а стороны АС и AD—искомыми составляющи ми силы.
Пусть теперь силу АХВХ нужно разложить по двум каким-либо другим направлениям в плоскости чертежа, например по направле ниям Ар и АуО'. Проводя прямые с заданным направлением из начала Ах вектора и параллельные им прямые из конца Bt вектора силы, получим параллелограмм АХКВХМ, стороны АХК и АХМ ко торого выражают искомые составляющие (рис. 13, б).
* |
|
|
Решение останется единственным, если силу АВ |
нужно |
разложить |
на две составляющие, одна из которых задана |
по величине и по |
|
направлению, а другая является |
||
искомой. |
|
|
Разложить силу на две со |
||
ставляющие, |
не лежащие с ней |
|
в какой-либо |
одной |
плоскости, |
разумеется, невозможно. В трех |
||
мерном пространстве силу можно |
||
разложить натри составляющие, |
||
имеющие заданные направления. |
||
На практике |
часто |
встречается |
разложение силы |
на три |
взаимно |
перпендикулярные |
составляющие, |
||||||
направленные |
параллельно осям |
координат. |
|
|
компонентами |
|||||
Составляющие |
данной |
силы, |
иначе |
называемые |
||||||
данной силы, |
являются |
векторными |
величинами |
и |
их |
складывают |
||||
-»- |
|
|
—у —• |
— |
составляю- |
|||||
по правилам геометрического сложения. Так, |
обозначая |
|||||||||
щие силы F |
большими |
буквами |
X, |
Y |
и Z |
со стрелками сверху, |
||||
чтобы подчеркнуть их векторную природу, мы можем написать гео метрическое равенство
§6. УСЛОВИЯ РАВНОВЕСИЯ СИСТЕМЫ СХОДЯЩИХСЯ СИЛ
ВАНАЛИТИЧЕСКОЙ ФОРМЕ
Проекцией силы на ось назы вают скалярную величину, равную произведению моду ля силы на косинус угла между положительным на правлением оси и направле
нием силы
Проекция силы на ось. С только что рас смотренным понятием «составляющая силы по оси» тесно соприкасается другое важное понятие—«проекция силы на ось».
Изобразим силу F (рис. 14) вектором А В. Опустив из начала А и из конца В век тора перпендикуляры Аа и ВЬ на данную
ось |
00', |
получим |
отрезок ab, |
называемый |
проекцией |
силы А В |
на |
||
ось |
00'. |
Как видно из чертежа, |
|
|
|
|
|
||
|
|
|
а6 = Л 5 ' = |
ЛВ cos а. |
|
|
|
|
|
Для |
получения |
проекции |
мы |
умножали |
на cos а |
не |
вектор, |
a |
|
его модуль, его абсолютную величину. Проекция силы |
на ось |
не |
|||||||
является |
вектором, |
поскольку |
она |
не имеет |
собственного |
направле |
|||
ния, |
а вполне определяется направлением оси, величиной |
проекции |
|||||||
(длиной ab) и |
знаком |
«-f-» |
или |
«—». |
Проекция ab |
силы |
АВ |
поло |
||||
жительна (-\-ab), |
если |
направление |
вектора |
силы |
составляет |
с по |
||||||
ложительным |
направлением |
оси |
острый |
угол |
(рис. |
14, а), |
и отрица |
|||||
тельна |
(—ab), |
если — тупой |
(рис. 14, б). |
Мы подчеркиваем, |
что |
про |
||||||
екция |
вектора |
на |
ось |
не имеет |
с в о е г о |
направления, тем |
не |
менее |
||||
условимся, что |
положительная проекция «направлена» в сторону |
|||
положительного |
направления |
оси, а отрицательная — в |
противопо |
|
ложную |
сторону, |
и иногда на чертежах будем изображать |
стрелками |
|
проекции |
вектора |
на ось. |
|
|
|
|
В |
В |
|
О
б)
Рис. 14
Напомним, что всякую величину, определяемую числом и только
числом, называют скаляром. |
Например, плотность, температура, |
масса являются скалярами. |
Скалярами первого рода называют вели |
чины, не зависящие от направления осей координат. Если же число, определяющее рассматриваемую величину, меняет знак при перемене направления осей координат на обратные, то скаляр является ска ляром второго рода (см., например, А п п е л ь . Теоретическая меха ника). Следовательно, проекция силы на ось есть скаляр второго рода.
Направляющим |
косинусом |
Направляющий |
косинус. |
Знак |
проекции |
|||
называют косинус угла между |
определяется знаком косинуса угла между |
|||||||
положительным |
направле |
направлением |
вектора |
и |
положительным |
|||
нием оси |
и |
направлением |
направлением оси, этот |
косинус |
называют |
|||
вектора; он |
выражается от |
направляющим |
косинусом1. |
Если |
этот |
угол |
||
ношением |
проекции вектора |
|||||||
на эту ось к модулю вектора |
острый, то направляющий |
косинус |
поло |
|||||
и по знаку совпадает со |
жителен и проекция вектора на ось поло |
|||||||
знаком проекции |
жительна, если |
же угол тупой, то направ |
||||||
ляющий косинус отрицателен и проекция вектора |
на |
ось |
тоже |
|||||
отрицательна. |
|
|
|
|
|
|
||
Часто требуется по заданным проекциям вектора на координат ные оси определять величины и знаки направляющих косинусов. Как видно из предыдущего равенства,
ab
C 0 S a - j A B \ - W
Вертикальные черточки у знаменателя (символ, показывающий, что надо взять абсолютное значение данной величины) поставлены, чтобы подчеркнуть, что знак направляющего косинуса определяется знаком числителя (знаком проекции вектора на ось), а знаменатель
Понятие «направляющий косинус» в науку ввели Эйлер и Гаспар Монж.
