Статика

- -

 

Содержание:

 

1.Введение. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

2. Основные понятия статики. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

3. Аксиомы статики. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .7

4. Связи и их реакции. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . .10

5. Заключение. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .15

6. Список литературы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  . . . .16 
Введение.

 

СТАТИКА это раздел механики, посвящённый изучению условий равновесия материальных тел под действием cил. Статику разделяют на геометрическую и аналитическую. В основе аналитической статики лежит возможных перемещений принцип, дающий условия равновесия любой механической системы. Геометрическая статика основывается на так называемых аксиомах статики, являющихся следствиями основных законов механики и выражающих свойства сил, действующих на материальную точку и абсолютно твердое тело, то есть тело, расстояния между точками которого всегда остаются неизменными. Методами геометрической статики изучается равновесие твердого тела; при этом рассматриваются решения следующих двух типов задач:

1) приведение систем сил, действующих на твердое тело, к простейшему виду;

2) определение условий равновесия сил, действующих на твердое тело.

Необходимые и  достаточные условия равновесия упруго деформируемых тел, а также  жидкостей и газов рассматриваются  соответственно в упругости теории, гидростатике и аэростатике [1].

К основным понятиям статики относится понятие о силе, о моменте силы относительно центра и относительно оси и о паре сил. Сложение сил и их моментов относительно центра производится по правилу сложения векторов. Отсюда следует, что любую систему действующих на твердое тело сил можно задать её главным вектором.

Неравновесная статика точки даёт статистическое обоснование термодинамики неравновесных процессов (уравнений переноса энергии, импульса, массы) и позволяет получить выражения для входящих в уравнения переноса коэффициент (кинетический коэффициент) на основе законов взаимодействия и движения частиц системы [2].

 

 

Основные понятия статики.

Статикой называется раздел механики, в котором излагается общее учение о силах и изучается  условия равновесия материальных тел, находящихся под действием сил.

Твердое тело. В статике и вообще в теоретической механике все тела считаются абсолютно твердыми. То есть предполагается, что эти тела не деформируются, не изменяют свою форму и объем, какое бы действие на них не было оказано.

Исследованием движения нетвердых тел – упругих, пластичных, жидких, газообразных, занимаются другие науки (сопротивление материалов, теория упругости, гидродинамика и т.д.).

Под равновесием будем  понимать состояния покоя тела по отношению к другим материальным телам.

Основные понятия:

1. Величина, являющаяся  количественной мерой механического  взаимодействия материальных тел,  называется в механике силой.

Сила является величиной векторной.

Ее действие на тело определяется: 1) численной величиной или модулем силы, 2) направлением силы, 3) точкой приложения силы (рис.1).

Рис.1. Абсолютно твердое тело с приложенной к нему силой F.

Прямая DB, вдоль которой направлена сила, называется линией действия силы.

В тексте вектор силы обозначается латинскими буквами , , и др., с черточками над ними. Если черточки нет, значит у силы известна только ее численная величина – модуль.

Предполагается, что действие силы на тело не изменится, если ее перенести по линии действия в любую точку тела (конечно – твердого тела). Поэтому вектор силы называют скользящим вектором. Если силу перенести в точку, не расположенную на этой линии, действие ее на тело будет совсем другим.

1. Совокупность сил, действующих на какое-нибудь твердое тело, будем называть системой сил.

2. Тело, не скрепленное с другими телами, которому из данного положения можно сообщить любое перемещение в пространстве, называется свободным. 

3. Если одну  систему сил, действующих на  свободное твердое тело, можно  заменить другой системой, не  изменяя при этом состояния покоя или движения, в котором находится тело, то такие две системы сил называются эквивалентными.  

4. Система сил,  под действием которой свободное  твердое тело может находиться  в покое, называется уравновешенной  или эквивалентной нулю.

5. Если данная система сил эквивалентна одной силе, то эта сила называется равнодействующей данной системы сил. Таким образом, равнодействующая - это сила, которая одна заменяет действие данной системы сил на твердое тело.  

6. Сила, равная  равнодействующей по модулю, прямо противоположная ей по направлению и действующая вдоль той же прямой, называется уравновешивающей силой. 

7. Силы, действующие на твердое тело, можно разделить на внешние и внутренние. Внешними называются силы, действующие на частицы данного тела со стороны других материальных тел. Внутренними называются силы, с которыми частицы данного тела действуют друг на друга.

8. Сила, приложенная к телу в какой-нибудь одной его точке, называется сосредоточенной. Силы, действующие на все точки данного объема или данной части поверхности тела, называются распределенными.

Понятие о сосредоточенной  силе является условным, так как  практически приложить силу к  телу в одной точке нельзя. Силы, которые мы в механике рассматриваем  как сосредоточенные, представляют собою по существу равнодействующие некоторых систем распределенных сил.

В частности, обычно рассматриваемая в механике сила тяжести, действующая на данное твердое  тело, представляет собою равнодействующую сил тяжести его частиц. Линия действия этой равнодействующей проходит через точку, называемую центром тяжести тела.

Изучение этих вопросов необходимо в дальнейшем для  изучения центра тяжести, произвольной пространственной системы сил, сил  трения скольжения, моментов трения качения, решения задач в дисциплине «Сопротивление материалов».

 

Аксиомы статики.

Все теоремы  и уравнения статики выводятся из нескольких исходных положений, принимаемых без математических доказательств и называемых аксиомами или принципами статики. Аксиомы статики представляют собою результат обобщений многочисленных опытов и наблюдений над равновесием и движением тел, неоднократно подтвержденных практикой. Часть из этих аксиом является следствиями основных законов механики, с которыми мы познакомимся в динамике.

Аксиома 1. Если на свободное абсолютно твердое тело действуют две силы, то тело может находиться в равновесии тогда и только тогда, когда эти силы равны по модулю (F₁ = F₂) и направлены вдоль одной прямой в противоположные стороны (рис. 2).

Рис.2. Абсолютно твердое тело с приложенными к нему силами F₁ и F₂.

Аксиома 1 определяет простейшую уравновешенную систему  сил, так как опыт показывает, что  свободное тело, на которое действует  только одна сила, находиться в равновесии не может.

Аксиома 2. Действие данной системы, сил на абсолютно твердое тело не изменится, если к ней прибавить или от нее отнять уравновешенную систему сил.

Эта аксиома устанавливает, что две системы сил, отличающиеся на уравновешенную систему, эквивалентны друг другу.

Следствие из 1-й  и 2-й аксиом. Действие силы на абсолютно твердое тело не изменится, если перенести точку приложения силы вдоль ее линии действия в любую другую точку тела.

Рис.3. Система трех приложенных  к телу сил. 

 

В самом деле, пусть на твердое тело действует  приложенная в точке А сила (рис.3). Возьмем на линии действия этой силы произвольную точку В и приложим к ней две уравновешенные силы и , такие, что = , = . От этого действие силы на тело не изменится. Но силы и согласно аксиоме 1 также образуют уравновешенную систему, которая может быть отброшена. В результате на тело. Будет действовать только одна сила , равная , но приложенная в точке В.  

Таким образом, вектор, изображающий силу , можно считать приложенным в любой точке на линии действия силы (такой вектор называется скользящим).

Аксиома 3 (аксиома параллелограмма  сил). Две силы, приложенные к телу в одной точке, имеют равнодействующую, приложенную в той же точке  и изображаемую диагональю параллелограмма, построенного на этих силах, как на сторонах.

Вектор , равный диагонали параллелограмма, построенного на векторах и (рис.4), называется геометрической суммой векторов и :   = + .

Рис.4.Правило  параллелограмма в графическом  виде. 

 

Величина равнодействующей  

 

Конечно, Такое равенство будет соблюдаться только при условии, что эти силы направлены по одной прямой в одну сторону. Если же векторы сил окажутся перпендикулярными, то

Следовательно, аксиому 3 можно  еще формулировать так: две силы, приложенные к телу в одной  точке, имеют равнодействующую, равную геометрической (векторной) сумме этих сил и приложенную в той же точке. 

Аксиома 4. При всяком действии одного материального тела на другое имеет место такое же по величине, но противоположное по направлению противодействие.

Закон о равенстве действия и противодействия является одним из основных законов механики. Из него следует, что если тело А действует на тело В с силой , то одновременно тело В действует на тело А с такой же по модулю и направленной вдоль той же прямой, но противоположную сторону силой = (рис. 5). Однако силы и не образуют уравновешенной системы сил, так как они приложены к разным телам.

Рис.5. Закон о равенстве действия и противодействия.

        

Аксиома 5 (принцип отвердевания). Равновесие изменяемого (деформируемого) тела, находящегося под действием данной системы сил, не нарушится, если тело считать отвердевшим (абсолютно твердым).

Высказанное в этой аксиоме  утверждение очевидно. Например, ясно, что равновесие цепи не нарушится, если ее звенья считать сваренными друг с другом и  т. д 

 

Связи и их реакции.

По определению, тело, которое не скреплено с другими  телами и может совершать из данного  положения любые перемещения в пространстве, называется свободным (например, воздушный шар в воздухе). Тело, перемещениям которого в пространстве препятствуют какие-нибудь другие, скрепленные или соприкасающиеся с ним тела, называется несвободным. Все то, что ограничивает перемещения данного тела в пространстве, будем называть связью.

Например, тело лежащее на столе – несвободное  тело. Связью его является плоскость  стола, которая препятствует перемещению  тела вниз.

Очень важен  так называемый принцип освобождаемости, которым будем пользоваться в дальнейшем. Записывается он так.

Любое несвободное  тело можно сделать свободным, если связи убрать, а действие их на тело заменить силами, такими, чтобы тело оставалось в равновесии.

Сила, с которой данная связь действует на тело, препятствуя тем ила иным его перемещениям, называется силой реакции (противодействия) связи или просто реакцией связи.

Так у тела, лежащего на столе, связь – стол. Тело несвободное. Сделаем его свободным – стол уберем, а чтобы тело осталось в  равновесии, заменим стол силой, направленной вверх и равной, конечно, весу тела.

Направлена реакция  связи в сторону, противоположную  той, куда связь не дает перемещаться телу. Когда связь одновременно препятствует перемещениям тела по нескольким направлениям, направление реакции связи также наперед неизвестно и должно определяться в результате решения рассматриваемой задачи.

Рассмотрим, как направлены реакции некоторых основных видов  связей.

1. Гладкая плоскость  (поверхность) или опора. Гладкой  будем называть поверхность, трением о которую данного тела можно в первом приближении пренебречь. Такая поверхность не дает телу перемещаться только по направлению общего перпендикуляра (нормали) к поверхностям соприкасающихся тел в точке их касания. Поэтому реакция N гладкой поверхности или опоры направлена по общей нормали к поверхностям соприкасающихся тел в точке их касания и приложена в этой точке. Когда одна из соприкасающихся поверхностей является точкой, то реакция направлена по нормали к другой поверхности.

Если поверхности не гладкие, надо добавить еще одну силу – силу трения , которая направлена перпендикулярно нормальной реакции в сторону, противоположную возможному скольжению тела.

Рис.6.Связь в виде гибкой нерастяжимой нити.