11.Равновесие твердого тела под действием пары сил. Теорема о параллельном переносе силы. Основная теорема статики.
Две равные и параллельные силы, направленные в противоположные стороны и не лежащие на одной прямой, называются парой сил. Примером такой системы сил могут служить усилия, передаваемые руками шофера на рулевое колесо автомобиля. Пара сил имеет большое значение в практике. Именно поэтому свойства пары как специфической меры механического взаимодействия тел изучаются отдельно.
Сумма проекций сил пары на ось x и на ось у равна нулю, поэтому пара сил не имеет равнодействующей. Несмотря на это тело под действием пары сил не находится в равновесии.
Действие пары сил на твердое тело, как показывает опыт, состоит в том, что она стремится вращать это тело. Способность пары сил производить вращение определяется моментом пары, равным произведению силы на кратчайшее расстояние (взятое по перпендикуляру к силам) между линиями действия сил. Обозначим момент пары М, а кратчайшее расстояние между силами а, тогда абсолютное значение момента:
Кратчайшее расстояние между линиями действия сил называется плечом пары, поэтому можно сказать, что момент пары сил по абсолютному значению равен произведению одной из сил на ее плечо.
Эффект действия пары сил полностью определяется ее моментом. Поэтому момент пары сил можно показывать дугообразной стрелкой, указывающей направление вращения. Так как пара сил не имеет равнодействующей, ее нельзя уравновесить одной силой. Момент пары в СИ измеряется в ньютонометрах (Н*м) или в единицах, кратных ньютонометру: кН*м, МН*м и т.д.
Момент пары сил будем считать положительным, если пара стремится повернуть тело по направлению хода часовой стрелки , и отрицательным, если пара стремится вращать тело против хода часовой стрелки . Принятое правило знаков для моментов пар условно: можно было бы принять противоположное правило.
Теорема о паралл. переносе сил
Докажем лемму: Сила, приложенная в какой-либо точке твердого тела, эквивалентна такой же силе, приложенной в любой другой точке этого тела, и паре сил, момент которой равен моменту данной силы относительно новой точки приложения. Пусть в точке А твердого тела приложена сила F (рис. 4.1). Приложим теперь в точке В тела систему двух сил F' и F²-, эквивалентную нулю, причем выбираем F'=F (следовательно, F"=–F). Тогда сила F~(F, F', F"), так как (F',F")~0. Но, с другой стороны, система сил (F, F', F") эквивалентна силе F' и паре сил (F, F"); следовательно, сила F эквивалентна силе F' и паре сил (F, F"). Момент пары (F, F") равен M=M(F,F")=BAxF, т.е. равен моменту силы F относительно точки В M=MB(F). Таким образом, лемма о параллельном переносе силы доказана.
Основная теорема статики
Пусть дана произвольная система сил (F1, F2,..., Fn). Сумму этих сил F=åFk называют главным вектором системы сил. Сумму моментов сил относительно какого-либо полюса называют главным моментом рассматриваемой системы сил относительно этого полюса.
Осн теор статики (теорема Пуансо): Всякую пространственную систему сил в общем случае можно заменить эквивалентной системой, состоящей из одной силы, приложенной в какой-либо точке тела (центре приведения) и равной главному вектору данной системы сил, и одной пары сил, момент которой равен главному моменту всех сил относительно выбранного центра приведения. Пусть О — центр приведения, принимаемый за начало координат, r1,r2, r3,…, rn–соответствующие радиусы-векторы точек приложения сил F1, F2, F3, ...,Fn, составляющих данную систему сил (рис. 4.2, а). Перенесем силы F1, Fa, F3, ..., Fn в точку О. Сложим эти силы как сходящиеся; получим одну силу: Fо=F1+F2+…+Fn=åFk, которая равна главному вектору (рис. 4.2, б). Но при последовательном переносе сил F1, F2,..., Fn в точку О мы получаем каждый раз соответствующую пару сил (F1, F”1), (F2,F”2),...,(Fn, F"n).Моменты этих пар соответственно равны моментам данных сил относительно точки О: М1=М(F1,F”1)=r1 x F1=Мо(F1), М2=М(F2, F”2)=r2 x F2=Мо(F2), …, Мп=М(Fn, F"n)=rn x Fn=Мо(Fn). На основании правила приведения системы пар к простейшему виду все указанные пары можно заменить одной парой. Ее момент равен сумме моментов всех сил системы относительно точки О, т. е. равен главному моменту, так как согласно формулам (3.18) и (4.1) имеем (рис. 4.2, в) М0=М1+М2+...+Мn=Мо(F1)+Мо(F2)+…+ Мо(Fn)==åМо(Fk)=årk x Fk. Систему сил, как угодно расположенных в пространстве, можно в произвольно выбранном центре приведения заменить силой Fo=åFk (4.2) и парой сил с моментом M0=åM0(Fk)=årk x Fk. (4.3). В технике очень часто проще задать не силу или пару, а их моменты. Например, в характеристику электромотора входит не сила, с которой статор действует на ротор, а вращающий момент.