Уравнение равновесия плоской системы сходящихся сил в аналитической форме

Видео:Статика. Условия равновесия плоской системы сил (23)Скачать

Условия равновесия плоской системы сходящихся сил в аналитической форме

Видео:определение реакций в стержнях от действия грузовСкачать

Условия равновесия плоской системы сходящихся сил в аналитической форме

Исходя из того, что равнодействующая равна нулю, получим:

Условия равновесия в аналитической форме можно сформулировать следующим образом:

Плоская система сходящихся сил находится в равновесии, если алгебраическая сумма проекций всех сил системы на любую ось равна нулю.

Система уравнений равновесия плоской сходящейся системы сил:

В задачах координатные оси выбирают так, чтобы решение было наиболее простым. Желательно, чтобы хотя бы одна неизвестная сила совпадала с осью координат.

Эта теория взята со страницы решения задач по предмету «техническая механика»:

Возможно эти страницы вам будут полезны:

Образовательный сайт для студентов и школьников

Копирование материалов сайта возможно только с указанием активной ссылки «www.lfirmal.com» в качестве источника.

© Фирмаль Людмила Анатольевна — официальный сайт преподавателя математического факультета Дальневосточного государственного физико-технического института

Видео:Техническая механика/ Определение равнодействующей. Плоская система сходящихся сил.Скачать

Условия равновесия системы сходящихся сил в аналитической форме в теоретической механике

Содержание:

Условия равновесия системы сходящихся сил в аналитической форме:

Проекцией силы на ось называют скалярную величину, равную произведению модуля силы на косинус угла между положительным направлением оси и направлением силы

Видео:Задача №1 Система сходящихся силСкачать

Проекция силы на ось

C только что рассмотренным понятием «составляющая силы по оси» тесно соприкасается другое важное понятие—«проекция силы на ось».

Изобразим силу

ab = AB’ = AB cos а.

Для получения проекции мы умножали на cos а не вектор, а его модуль, его абсолютную величину. Проекция силы на ось не является вектором, поскольку она не имеет собственного направления, а вполне определяется направлением оси, величиной проекции (длиной ab) и знаком « + » или «—». Проекция ab силы AB положительна (+ab), если направление вектора силы составляет с положительным направлением оси острый угол (рис. 14, а), и отрицательна (—ab), если—тупой (рис. 14, б). Мы подчеркиваем, что проекция вектора на ось не имеет своего направления, тем не менее условимся, что положительная проекция «направлена» в сторону положительного направления оси, а отрицательная — в противоположную сторону, и иногда на чертежах будем изображать стрелками проекции вектора на ось.

Рис. 14

Напомним, что всякую величину, определяемую числом и только числом, называют скаляром. Например, плотность, температура, масса являются скалярами. Скалярами первого рода называют величины, не зависящие от направления осей координат. Если же число, определяющее рассматриваемую величину, меняет знак при перемене направления осей координат на обратные, то скаляр является скаляром второго рода (см., например, Аппель. Теоретическая механика). Следовательно, проекция силы на ось есть скаляр второго рода.

Направляющим косинусом называют косинус угла между положительным направлением оси и направлением вектора; он выражается отношением проекции вектора на эту ось к модулю вектора и по знаку совпадает со знаком проекции

Направляющий косинус

Знак проекции определяется знаком косинуса угла между направлением вектора и положительным направлением оси, этот косинус называют направляющим косинусом. Если этот угол острый, то направляющий косинус положителен и проекция вектора на ось положительна, если же угол тупой, то направляющий косинус отрицателен и проекция вектора на ось тоже отрицательна.

Часто требуется по заданным проекциям вектора на координатные оси определять величины и знаки направляющих косинусов. Как видно из предыдущего равенства, выражения является существенно положительной величиной. В дальнейшем мы не всегда будем ставить эти вертикальные черточки, помня, что знаменатель в выражении направляющего косинуса является положительным.

По этой формуле можно определять не только направляющие косинусы вектора силы, но и направляющие косинусы всякого другого вектора (скорости, ускорения и πp.). Во всех отделах нашего курса направляющим косинусам отведена значительная роль.

Углы, составляемые каким-либо вектором с осями х, y и z, мы будем обозначать соответственно буквами α, β и γ с индексом вектора. Например, углы, составляемые вектором F с осями координат, будем обозначать α_F, β_F, γ_F∙. Если проекции силы на оси координат обозначать через X, Y и Z, то

(3)

Практически при решении задач для определения проекции силы на ось обычно умножают модуль силы на косинус острого угла между осью (ее положительным или отрицательным направлением) и линией действия силы и приписывают проекции знак «+» или «—» в зависимости от того, «направлена» ли проекция в сторону положительного или в сторону отрицательного направления оси.

Проекция вектора на плоскость является вектором

Проекция силы на плоскость

В отличие от проекции силы на ось проекция силы на плоскость является вектором и имеет собственное направление на плоскости.

Чтобы спроецировать силу на плоскость, надо опустить на плоскость перпендикуляры Ab и Bb (рис. 15) из начала А и из конца В вектора силы; полученный вектор , лежащий в плоскости, является проекцией силы на плоскость:

=пp. .

Модуль проекции равен произведению модуля силы на косинус угла наклона вектора силы к плоскости:

αb = AB cos a.

Проекция равнодействующей равна сумме проекций составляющих сил

Теорема о проекции равнодействующей

Покажем, что проекция равнодействующей на плоскость равна геометрической сумме проекций составляющих.

Дан пучок сил, представленный силовым многоугольником OAEKL, и дана некоторая плоскость (рис. 16). Опуская перпендикуляры Oo, Aa, Ее, Kk и Ll на плоскость из вершин силового многоугольника, найдем проекции составляющих сил на плоскость: проекция проекция проекция проекция . Складывая все проекции, получим . Но вектор является проекцией равнодействующей OL на ту же плоскость: проекция .

Сопоставляя между собой два последних равенства, найдем, что проекция равнодействующей на плоскость равна сумме проекций составляющих на ту же плоскость. Проекция сил на плоскость — вектор, поэтому сумма геометрическая.

Напротив, проекции силы на ось—скалярные величины, а потому проекция равнодействующей на ось равна алгебраической сумме проекций составляющих на ту же ось. Пусть дан пучок сил, представленный силовым многоугольником OAEKL, и дана ось (рис. 17). Опуская перпендикуляры Oo, Aa, Ее, Kk и Ll на ось из вершин силового многоугольника, найдем проекции составляющих сил на ось: проекция ; проекция ; проекция ; проекция . Складывая все проекции, получим . Но ol является проекцией равнодействующей на ту же ось: проекция . Остается лишь сопоставить между собой два последних равенства.

Рис. 16

Рис. 17

Величину и направление равнодействующей пучка сил можно определить по суммам проекций составляющих на взаимно перпендикулярные оси.

Если угол, составляемый равнодействующей с данной осью, известен, то, поделив сумму проекций составляющих на косинус этого угла, можно определить численную величину равнодействующей. Если же, как это обычно и бывает, направление равнодействующей неизвестно, то для определения равнодействующей составляют суммы проекций всех составляющих на пересекающиеся (обычно взаимно перпендикулярные) оси.

Пусть дана система сил, сходящихся в одной точке. Для простоты рассуждений предположим, что все эти силы лежат в одной плоскости. Проведем в этой плоскости декартову систему координат хОу и спроецируем все силы на оси Ox и Оу.

Обозначим проекцию силы на ось абсцисс через X₁, а на ось ординат—через Y₁; проекции силы обозначим теми же буквами с индексом 2 и т. д. Сумму проекций всех сил на ось абсцисс обозначим символом , a на ось ординат—. Проекция равнодействующей на какую-либо ось равна алгебраической сумме проекций составляющих на ту же ось, и мы можем написать равенства

(4)

где R_x и R_y означают проекции равнодействующей на оси координат. Теперь мы можем найти величину равнодействующей:

(5 / )

Направление равнодействующей можно определить по направляющим косинусам:

(6 / )

Если силы системы не лежат в одной плоскости, то, спррецировав силы на три координатные оси, получим

(5)

(6)

Знак направляющего косинуса определяется знаком числителя. Возведя равенства (6) или (6′) в квадрат и сложив, убедимся, что сумма квадратов направляющих косинусов равна единице:

(7)

Задача №1

Найти равнодействующую двух сил и по Зн каждая, направленных под углом 120° друг к другу (см. рис. 3, в).

Решение. Примем точку приложения сил за начало координат, направим ось Ox по силе Q, а ось Oy к ней —перпендикулярно. Как видно из чертежа, направляющие косинусы складываемых сил таковы:

Найдем проекции равнодействующей по формулам (4) и модуль равнодействующей по (5′):

Ее направление определим по направляющим косинусам (6′):

Ответ.R = 3н и направлена под углом 60° к силам.

Для равновесия системы сходящихся сил необходимо и достаточно, чтобы равнялись нулю суммы проекций всех сил на оси координат

Условия равновесия пучка сил в аналитической форме. Как было показано в § 3, при равновесии системы сходящихся сил ее равнодействующая равна нулю. Если пучок сил является плоским, то из (5′) следует

Сумма квадратов двух величин может равняться нулю только в случае, если равна нулю каждая из этих величин, а потому

(8)

Эти равенства называют условиями равновесия плоской системы сходящихся сил в аналитической форме. Они являются необходимыми и достаточными условиями.

Если же пучок сил не лежит в одной плоскости, но является уравновешенной системой, то путем аналогичных рассуждений мы выведем условия равновесия пространственной системы сходящихся сил в аналитической форме:

(9)

Если условия равновесия (8) и (9) содержат неизвестные величины, то их называют уравнениями равновесия сходящихся сил.

Задача №2

Нить с грузами P и Q на концах перекинута через блоки А и В, находящиеся на одной горизонтали (рис. 18, α). В точке О нити, находящейся между блоками, привязан груз G = 27,3 н. При равновесии системы ветвь OA образует с горизонталью угол 60°, а ветвь OB— угол 45°. Пренебрегая трением в блоках, определить величину грузов P и Q.

Решение. Равновесие какого объекта надо рассмотреть для решения задачи? Ответим на этот вопрос. Требуется определить веса грузов P и Q. Веса грузов приложены к этим грузам и направлены вертикально вниз. Каждый груз натягивает нить силой, равной своему весу. Блок меняет направление нити, а следовательно, и направление силы натяжения нити, не меняя ее величины. Силы, по модулю равные P и Q и направленные по OA и OB, пересекаются в точке 0, где приложена и заданная сила G (рис. 18, б). Поэтому для решения задачи надо рассмотреть равновесие точки О.

Какие же силы действуют на точку О? На нее действуют сила G; натяжение P ветви OA-, натяжение Q ветви OB. Веса грузов PhQ, приложенные к этим грузам, учитывать не надо, потому что они не приложены к точке О.

Рис. 18

Для изучения равновесия сил, приложенных к точке О, можно построить силовой многоугольник или составить уравнения равновесия. Выберем второй путь. Построим систему координат с началом в точке О (рис. 18, в), спроецируем силы на оси и составим уравнения равновесия.
Для проекций на ось Ox имеем

Знак проекции Q положительный, потому что она направлена в положительном направлении оси Ox (вправо). Знак у проекции P отрицательный, так как она направлена в отрицательном направлении оси Ох. Проекция силы G на ось Ox равна нулю.
Аналогично получаем

Проекции P и Q на ось Oy положительны, так как направлены в положительном направлении оси. Проекция G отрицательна, так как направлена вниз. Подставляя числовые значения и решая уравнения, получаем ответ.
Ответ. P = 20 н, Q = 14,1 н.

Задача №3

Земляная насыпь подпирается вертикальной каменной стеной АВ. Найти необходимую толщину стены а, предполагая, что давление земли на стену направлено горизонтально, приложено на 1/3 ее высоты и равно 6 тонн на метр длины стены; удельный вес кладки 2 Г/см 3 . Стена должна быть рассчитана на опрокидывание вокруг ребра А (рис. 19, а).

Решение. Первый вопрос: равновесие какого тела надо рассмотреть?
Нужно рассмотреть равновесие каменной стены АВ.

Второй вопрос: какие силы действуют на рассматриваемое тело?

На стену действуют следующие силы (рис. 19, б):
а) вес G стены, приложенный в ее центре тяжести, направленный по вертикали вниз и равный произведению объема стены на удельный вес кладки. Обозначим высоту, длину и ширину стены в метрах соответственно h,l и а. Удельный вес кладки 2 Г/см 3 , или, что то же, 2 Т/м 3 , следовательно,
G = 2hla Т;

б) давление P земляной насыпи, приложенное на 1/3 высоты стены, направленное горизонтально от насыпи к стенке и равное (в Т)
P =6l;

в) реакция R опоры. При решении подобных задач, называемых задачами на опрокидывание, нужно иметь в виду, что реакция связи бывает только в той опоре, вокруг которой опрокидывается тело, реакции же связей в опорах, в которых связь нарушится при опрокидывании тела, равны нулю.

Определив точку приложения реакции опоры, найдем направление реакции. Стена находится в равновесии под действием трех сил, а следовательно, линии действия всех трех сил должны пересекаться в одной точке, поэтому реакция опоры направлена под углом а к горизонтальной оси, причем

Рис. 19

Проецируя все приложенные к стене силы на горизонтальную и на вертикальную оси (рис. 19, в) и приравнивая нулю суммы проекций, найдем

Легко находим, что наименьшая толщина стены a= м = 1,41 м. Чем толще стена, тем устойчивее ее равновесие. При значении а, меньшем найденного нами, силы не пересекутся в одной точке и равновесие невозможно, стена опрокинется.

В условии задачи использованы различные единицы измерений (тонна, грамм, метр, сантиметр). При решении мы выразили все величины в тоннах и метрах. Решим эту же задачу в СИ или MKC (м, кг, сек), для чего выразим в этих единицах все величины, заданные в условии задачи.

Давление земли на один метр длины стены
6 Т∕м = 6000 кГ/л = 6000 . 9,81 н/м.

Если длина стены I м, то давление на всю стену
P = 6000 . 9,81 . 1н.

Удельный вес кладки
2 Г∕cм 3 = 2000 кГ/л» = 2000 . 9,81 н/м 3 .

Тогда вес стены
G = 2000 . 9,81 . hla н.

Составляя и решая уравнения равновесия всех сил, приложенных к стене, получим тот же ответ.
Ответ: a 1,41 л.

Задача №4

На катеты равнобедренного прямоугольного треугольника АВС, сделанного из проволоки и установленного в вертикальной плоскости так, что гипотенуза AB горизонтальна (рис. 20, а), нанизаны два шарика: P весом G_l = 3 н и Q весом G₂ = 4 н, связанные нерастяжимой нитью. Найти положение равновесия (Угол CPQ = а), реакции катетов и натяжение нити, считая, что проволока Не прогибается и трение отсутствует.

Решение. Равновесие какого объекта надо рассмотреть, чтобы определить угол а натяжение нити T и две реакции катетов? Если рассматривать равновесие шарика Р, получим два уравнения равновесия ( и ) для трех неизвестных (угол а, натяжение T нити и реакция R_А катета АС). Если рассматривать равновесие шарика Q, то получим два других уравнения с тремя неизвестными (угол а, натяжение T нити и реакция Rb катета ВС), но две из этих неизвестных величин входят в уравнения равновесия шарика Р.

Для решения задачи надо: 1) рассмотреть равновесие шарика P и составить уравнения равновесия; 2) рассмотреть равновесие шарика Q и составить уравнения равновесия; 3) решить совместно все четыре уравнения и найти из них четыре неизвестных α, Т, R_А и R_В.

1) Равновесие шарика P. На шарик P действуют силы: его вес 3 н, направленный вниз, натяжение T нити, направленное к Q, и реакция R_А катета АС.

Рис. 20

Катет (проволока АС) осуществляет связь шарика Р. Эта связь допускает перемещение шарика лишь по АС. Реакция направлена перпендикулярно виртуальным перемещениям, т. е. перпендикулярно АС.
Построим систему координат с началом в центре шарика Р, направив ось Ox по катету к точке C (рис. 20, б).

Заметим, что мы вправе выбирать направления осей так, как это представляется целесообразным для упрощения выкладок. Мы свободны также в выборе начала координат.

Составляем уравнения равновесия системы сил, приложенных к шарику Р:

2) Равновесие шарика Q. На шарик Q действуют вес 4 н, направленный вниз, сила T натяжения нити, направленная к шарику P (по принципу равенства действия и противодействия), и реакция R_В катета ВС, направленная перпендикулярно виртуальному перемещению шарика Q.

Нет необходимости строить новую систему координат, и мы можем проецировать силы, приложенные к шарику Q, на уже имеющиеся координатные оси. Получаем два новых уравнения:

3) Решая совместно четыре уравнения, находим четыре неизвестных.
Ответ.

Задача №5

К шарниру кронштейна ABCD (рис. 21, а) приложена сила p= 6000 н. Кронштейн состоит из трех стержней АВ, AC и AD равной длины; крепления А, В, C и D шарнирные, плоскость ABC горизонтальна и BC=4D= =2 OD. Найти усилия в стержнях.

Решение. Рассматриваем равновесие точки А, в которой сходятся все неизвестные силы.

На точку А действует пространственный пучок сил: вес P = 6000 н, направленный вниз, усилия в стержнях АВ, AC и AD. Усилием в стержне называют силу, действующую вдоль стержня и растягивающую или сжимающую его; если стержень растянут, то на шарнир действует сила, направленная к стержню, если сжат, то от стержня. Не всегда бывает просто без предварительных расчетов определить, сжат данный стержень или растянут. Иногда этому помогает следующий прием: если от замены стержня нитью равновесие не нарушается, то стержень растянут, а если нарушается, то сжат. В данной задаче стержень AD, очевидно, можно заменить нитью, следовательно, он растянут и сила F_D, приложенная к шарниру А, направлена так, как тянула бы его нить, т. е. к D. Стержни AB и AC нитями заменить нельзя, так как кронштейн потеряет жесткость, следовательно, силы, приложенные к шарниру А, направлены от В и от С. Существует и другой способ, требующий предварительных расчетов: силы, действующие на шарнир со стороны стержней, при предварительном расчете считать растягивающими и всегда направлять от шарнира к стержням, составлять и решать уравнения равновесия, и если в результате решения этих уравнений для сил получаются положительные значения, то стержни растянуты, а если отрицательные, то сжаты. Этот способ мы применим в данной задаче и будем считать, что, кроме вертикальной нагрузки Р, на шарнир А действуют усилия в стержнях АВ, AC и AD, направленные условно от А к В, C и D.

Рис. 21

Построим пространственную систему координат с началом в точке О (рис. 21,6), направив оси, как показано на чертеже. Из условия задачи следует, что ,ABO= ACO = 60°, OAB = OAD = 30°. Составляем уравнения равновесия пространственного пучка сил:

Решая эти уравнения, находим ответ.

Ответ. Стержень AB сжат, F_В=-6000 н; стержень AC сжат, F_c=—6000 н; стержень AD растянут, F_D=12000 н (рис. 21,в).

Для отличия сжимающую силу условимся писать (в некоторых задачах) c отрицательным знаком. Этот знак сжимающим силам приписывают условно.

• Приведение двух параллельных сил к равнодействующей
• Пара сил в теоретической механике
• Приведение системы сил к данной точке
• Система сил на плоскости
• Теорема количества движения
• Теорема моментов количества движения
• Теорема кинетической энергии
• Условие равновесия системы сходящихся сил в геометрической форме

При копировании любых материалов с сайта evkova.org обязательна активная ссылка на сайт www.evkova.org

Сайт создан коллективом преподавателей на некоммерческой основе для дополнительного образования молодежи

Сайт пишется, поддерживается и управляется коллективом преподавателей

Telegram и логотип telegram являются товарными знаками корпорации Telegram FZ-LLC.

Cайт носит информационный характер и ни при каких условиях не является публичной офертой, которая определяется положениями статьи 437 Гражданского кодекса РФ. Анна Евкова не оказывает никаких услуг.

Видео:"Плоская система сходящихся сил. Определение равнодействующей аналитическим способом".Скачать

Техническая механика

Видео:Система сходящихся сил. Решение задач по МещерскомуСкачать

Плоская система сходящихся сил

Геометрический способ определения равнодействующей плоской системы сходящихся сил

Система сил, линии действия которых лежат в одной плоскости и все пересекаются в одной точке, называется плоской системой сходящихся сил.

Теорема

Плоская система сходящихся сил в общем случае эквивалентна равнодействующей, которая равна векторной сумме этих сил; линия действия равнодействующей проходит через точку пересечения линий действия составляющих.

Пусть дана плоская система трех сил F₁ , F₂ и F₃ , линии действия которых сходятся в точке А (см. рисунок а) .
На основании следствия из аксиом III и IV перенесем эти силы вдоль линий их действия в точку А . Сложив первые две силы F₁ и F₂ по правилу параллелограмма, получим их равнодействующую R (см. рисунок а) :
R = F₁ + F₂ .

Пользуясь той же аксиомой параллелограмма, сложим равнодействующую R с силой F₃ :

где F_Σ – равнодействующая данной системы трех сил.

Аналогичные рассуждения можно провести для любого количества сходящихся сил, в результате чего получим:
F_Σ = F₁ + F₂ + F₃ +…+ F_n .
Сокращенно это равенство можно записать так:
F_Σ = ΣF_i , где i – все целые числа от единицы до n .

Очевидно, что построения, выполненные на рисунке a , можно заменить более простым, как показано на рисунке b . Многоугольник АВСD называют силовым многоугольником. Сторона AD , соединяющая начало первого с концом последнего вектора, называется замыкающей стороной.

Необходимо помнить, что стрелки векторов слагаемых сил образуют определенное направление обхода по контуру силового многоугольника, а замыкающая сторона, определяющая модуль и направление равнодействующей, имеет стрелку, направленную против обхода (см. рисунок b) .

Если определить равнодействующую из силового многоугольника с помощью геометрии и тригонометрии, то такой способ будет называться геометрическим.

Если сделать чертеж силового многоугольника в определенном масштабе, то равнодействующая определится простым измерением замыкающей стороны с последующим умножением на масштаб. Такой способ нахождения равнодействующей называется графическим.

Порядок сложения векторов при построении силового многоугольника на величину равнодействующей не влияет, так как векторная сумма от перемены мест слагаемых не меняется.

Геометрическое условие равновесия плоской системы сходящихся сил

При построении силового многоугольника возможен случай, когда конец последнего вектора совпадает с началом первого. В этом случае замыкающей стороны не будет, и такой силовой многоугольник называется замкнутым.

Очевидно, что равнодействующая F_Σ системы сходящихся сил, образующих замкнутый силовой многоугольник, равна нулю, т. е. система сил находится в равновесии. Отсюда вытекает условие, при котором плоская система сходящихся сил будет находиться в равновесии. Это условие выражается равенством:

и формулируется так: для равновесия плоской системы сходящихся сил необходимо и достаточно, чтобы силовой многоугольник был замкнут.

Условия равновесия, записанные в виде равенств, содержащих неизвестные величины, называются уравнениями равновесия.

Применяя геометрическое условие равновесия, удобно решать задачи, в которых на тело действуют три силы, так как в этом случае замкнутый силовой многоугольник представляет собой треугольник.

Решение большинства задач статики проводят в три этапа:
— выбирают тело, равновесие которого будет рассматриваться;
— отбрасывают связи, заменяя их реакциями, и устанавливают, какая система сил действует на тело;
— пользуясь условиями равновесия, находят неизвестные величины.

При решении задач статики следует строго соблюдать правило: размерности и единицы величин всех слагаемых и обеих частей равенства должны быть одинаковыми.

В сомнительных случаях целесообразно использовать это правило для проверки правильности хода решения задач, для чего следует подставить в слагаемые проверяемого равенства единицы всех входящих в них величин и, произведя возможные сокращения, сравнить полученные единицы правой и левой частей.

Пример решения задачи

В качестве примера решения задачи с использованием изложенных выше методов, определим натяжение веревки F и силу давления шара P на стену, если сила тяжести шара равна G .

Рассмотрим условие равновесия шара. Применив принцип освобождаемости, отбросим связи и заменим их реакциями. Реакция N гладкой стены перпендикулярна стене и проходит через центр шара (так как шар однородный, его геометрический центр совпадает с центром тяжести).
Реакция F веревки направлена вдоль линии натяжения веревки и тоже проходит через центр шара (согласно теореме о равновесии трех непараллельных сил). Применим к системе сил уравнение равновесия:

ΣF_i = 0 , или G + N + R = 0.

Строим замкнутый силовой треугольник, начиная с изображения в произвольном масштабе вектора известной силы G (см. рисунок) . Направление обхода треугольника (т. е. направление стрелок) определяется направлением этой силы. Из построенного силового треугольника получим соотношения:

N = G tg α ; R = G/cos α

Искомая сила давления P шара на стену, согласно аксиоме взаимодействия, по модулю равна реакции N стены, но направлена в противоположную сторону.
Натяжение веревки F равно по модулю ее реакции R .

Эту же задачу можно решить, разложив силу тяжести шара G по реальным направлениям (направлениям реакций) на составляющие P (сила давления шара на стену) и F (натяжение веревки) , причем согласно аксиоме взаимодействия:

Из построенного параллелограмма (см. рисунок) легко определить искомые величины.
Такой метод решения задачи называют методом разложения силы.

Проекция силы на оси координат

В тех случаях, когда на тело действует более трех сил, а также когда неизвестны направления некоторых сил, удобнее при решении задач пользоваться не геометрическим, а аналитическим условием равновесия, которое основано на методе проекций сил на оси координат.

Проекцией силы на ось называют отрезок оси, заключенный между двумя перпендикулярами, опущенными на ось из начала и конца вектора силы.

На приведенном ниже рисунке видно, что проекции силы P на оси x и y можно определить при помощи тригонометрических функций:
P_x = Pcos α, P_y = Psin α .

Проекция силы на ось есть величина алгебраическая, которая может быть положительной или отрицательной, что устанавливается по направлению проекции — проекция, направленная в положительном направлении оси считается положительной, в противном случае — отрицательной.
Возможны два частных случая:
— если сила перпендикулярна оси, то ее проекция равна нулю (сила проецируется в точку) ;
— если сила параллельна оси, то она проецируется на ось в натуральную величину.

Зная проекции силы на координатные оси, можно определить ее величину (модуль) , используя теорему Пифагора, учитывая, что проекции являются катетами прямоугольного треугольника, а сама сила — гипотенузой.
Направляющий тангенс угла между вектором силы P и осью x можно определить из отношения:
tgα = P_y/P_x .

Отметим, что силу P можно представить, как равнодействующую двух составляющих сил P_x и P_y , параллельных осям координат, но эти составляющие не будут являться проекциями силы по определению, поскольку сила (в т. ч. и составляющая силы) есть величина векторная, а проекция — алгебраическая.

Аналитический способ определения равнодействующей плоской системы сил

Пусть дана плоская система сходящихся сил F₁, F₂, F₃, F₄. F_n .
Равнодействующая этой системы F_Σ = ΣF_i .

В плоскости действия данной системы сил выберем ось координат и спроецируем данные силы и их равнодействующую на эту ось. Из математики известно свойство проекции векторной суммы, на основании которого можно утверждать, что проекция равнодействующей на ось равна алгебраической сумме проекций составляющих сил на ту же ось, т. е. F_Σx = ΣF_ix .
Правую часть этого равенства можно представить упрощенно: F_Σx = ΣX .

Для того чтобы определить равнодействующую любой плоской системы сходящихся сил, спроецируем их на оси координат x и y , алгебраически сложим проекции всех сил и найдем таким образом проекции равнодействующей:

Зная проекции, определим модуль и направление равнодействующей:
Модуль равнодействующей:

F_Σ = √(F_Σx 2 + F_Σy 2 ) (здесь и далее √ — знак корня);

Направляющий тангенс угла между вектором F_Σ и осью x :

Линия действия равнодействующей проходит через точку пересечения линий действия составляющих сил.

Аналитические условия равновесия плоской системы сходящихся сил

Если данная плоская система сходящихся сил находится в равновесии, то равнодействующая такой системы, а значит и проекции равнодействующей на оси координат равны нулю.
Математически это выражение можно записать так:

Учитывая, что F_Σx = ΣX; F_Σy = ΣY , получаем равенства, выражающие аналитические условия равновесия плоской системы сходящихся сил:

Формулируется это условие следующим образом: для равновесия плоской системы сходящихся сил необходимо и достаточно, чтобы алгебраическая сумма проекций этих сил на каждую из двух координатных осей равнялась нулю.

С помощью уравнений равновесия можно определить два неизвестных элемента данной системы сил, например модуль и направление одной силы или модули двух сил, направления которых известны и т. п.

Выведенные условия равновесия справедливы для любой системы координат, но для упрощения расчетов рекомендуется оси координат по возможности выбирать перпендикулярными неизвестным силам, чтобы каждое уравнение равновесия содержало одно неизвестное.
Когда направление искомой силы неизвестно, ее можно разложить на две составляющие по заданным направлениям, обычно по направлениям координатных осей; по найденным двум составляющим легко определяется неизвестная сила.

Если при решении задач аналитическим способом искомая реакция получается отрицательной, то это означает, что действительное ее направление противоположно направлению, принятому при расчетах.

🔍 Видео

1 Решение задачи графическим и аналитическим методомСкачать

Система сходящихся силСкачать

1.2. Равновесие плоской системы сходящихся сил (1 из 2)Скачать

Теоретическая механика. Нахождение реакций связей на при плоской системе сил. Задача 1, часть 1Скачать

Произвольная плоская система сил. Задача 1Скачать

§ 5.3. Уравнения равновесия плоской системы силСкачать

4.1 Плоская система сходящихся сил. Графическое условие равновесия. (теория)Скачать

§5 5 Уравнения равновесия системы сходящихся силСкачать

4.1 Плоская система сил. Графическое условие равновесия (решение задач)Скачать

Три формы уравнений равновесия произвольной плоской системы силСкачать

4.4 Аналитические уравнения равновесияСкачать

Определение опорных реакций (сходящаяся система сил)Скачать

Графический способ определения равнодействующейСкачать

Условия равновесия систем силСкачать