Подвижный шарнир реакции. Несвободные системы. связи и их реакции. Разложение сил по трем заданным направлениям

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 (рис.14,а ). 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 (рис. 14,б ), то реакция направлена по нормали к другой поверх­ности.

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

Рис.14 Рис.15

Рис.16

2. Нить. Связь, осуществленная в виде гибкой нерастяжимой нити (рис.15), не дает телу М удаляться от точки подвеса нити по направлению AM . Поэтому реакция Т натянутой нити направлена вдоль нити от тела к точке ее подвеса. Если даже заранее можно догадаться, что реакция направлена к телу, все равно ее надо направить от тела. Таково правило. Оно избавляет от лишних и ненужных предположений и, как убедимся далее, помогает установить сжат стержень или растянут.

3. Цилиндрический шарнир (подшипник). Если два тела соединены болтом, проходящим через отверстия в этих телах, то такое соединение называется шарнирным или просто шарниром; осевая линия болта называется осью шарнира. Тело АВ , прикреплен­ное шарниром к опоре D (рис.16,а ), может поворачиваться как угодно вокруг оси шарнира (в плоскости чертежа); при этом конец А тела не может переместиться ни по какому направлению, перпен­дикулярному к оси шарнира. Поэтому реакция R цилиндрического шарнира может иметь любое направление в плоскости, перпен­дикулярной к оси шарнира, т.е. в плоскости А ху. Для силы R в этом случае наперед не известны ни ее модуль R , ни направле­ние (угол ).

4. Шаровой шарнир и подпятник. Этот вид связи закреп­ляет какую-нибудь точку тела так, что она не может совершать никаких перемещений в пространстве. При­мерами таких связей служат шаровая пята, с помощью которой прикрепляется фото­аппарат к штативу (рис.16,б ) и подшипник с упором (подпятник) (рис. 16,в ). Реакция R шарового шарнира или подпятника может иметь любое направление в пространстве. Для нее наперед неизвестны ни модуль реакции R , ни углы, образуемые ею с осями х, у, z .

Рис.17

5. Стержень. Пусть в какой-нибудь конструкции связью является стержень АВ , закрепленный на концах шарнирами (рис.17). Примем, что весом стержня по сравнению с воспринимаемой им нагрузкой можно пре­небречь. Тогда на стержень будут действовать только две силы при­ложенные в шарнирах А и В . Но если стержень АВ находится в равновесии, то по аксиоме 1 приложенные в точках А и В силы должны быть направлены вдоль одной прямой, т. е. вдоль оси стержня. Следовательно, нагруженный на концах стержень, весом ко­торого по сравнению с этими нагрузками можно пренебречь, работает только на растяжение или на сжатие. Если такой стержень является связью, то реакция стержня будет направлена вдоль оси стержня.

6. Подвижная шарнирная опора (рис.18, опора А ) препятствует движению тела только в направ­лении перпендикулярном плоскости скольжения опоры. Реакция такой опоры направлена по нормали к поверхности, на которую опираются катки подвижной опоры.

7. Неподвижная шарнирная опора (рис.18, опора В ). Реакциятакой опоры проходит через ось шарнира и может иметь любое направление в плоскости чертежа. При решении задач будем реакцию изображать ее составляющимиипо направлениям осей координат. Если мы, решив задачу, найдеми, то тем самым будет определена и реакция; по модулю

Рис.18

Способ закрепления, показанный на рис.18, употребляется для того, чтобы в балке АВ не возникало дополнительных напряжений при изменении ее длины от изменения температуры или от изгиба.

Заметим, что если опору А балки (рис.18) сделать тоже непо­движной, то балка при действии на нее любой плоской системы сил будет статически неопределимой, так как тогда в три уравнения равновесия вой­дут четыре неизвестные реакции ,,,.

8. Неподвижная защемляющая опора или жесткая заделка (рис.19). В этом случае на заделанный конец балки со стороны опорных плоско­стей действует система распределенных сил реакций. Считая эти силы приведен­ными к центру А , мы можем их заменить одной наперед неизвестной силой , приложенной в этом центре, и парой с наперед неизвестным моментом . Силу можно в свою очередь изобразить ее составляющими и. Таким образом, для нахождения реакции неподвижной защемляющей опоры надо определить три неизвестных величины,и.Если под такую балку где-нибудь в точке В подвести еще одну опору, то балка станет статически неопределимой.

Рис.19

При определении реакций связи других конструкций надо установить, разре­шает ли она двигаться вдоль трех взаимно перпендикулярных осей и вращаться вокруг этих осей. Если препятствует какому-либо движению – показать соот­ветствующую силу, если препятствует вращению – пару с соответствующим моментом.

Иногда приходится исследовать равновесие нетвердых тел. При этом будем пользоваться предположением, что если это нетвердое тело находится в равновесии под действием сил, то его можно рассматривать как твердое тело, используя все правила и методы статики.

Тело, перемещению которого в пространстве препятствует какие-нибудь другие тела, скрепленные или соприкасающиеся с данным, называется несвободным. Все то, что ограничивает перемещение данного тела в пространстве, называется связями.

Пример. Груз висит на веревке, ящик стоит на полу и т.д.

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

Силы, приложенные к телу, но не являющиеся реакциями, называются активными.

Направление силы реакции связи противоположно той, куда связь не дает перемещаться телу.

Направления реакций некоторых основных видов связи

1. Гладкая поверхность

Реакция связиN гладкой поверхности или опоры направлена по нормали к поверхностям соприкасающихся тел в точке касания и приложена в этой точке.

Если одна из соприкасающихся поверхностей является точкой, то реакция направлена по нормали к другой поверхности (рис. 1.5).

2. Нить, стержень.

Р
еакция Т натянутой нити и нагруженного стержняS направлена вдоль этих связей и приложена в точке контакта (рис. 1.6).

3. Цилиндрический шарнир (подшипник, петля).

РеакцияR цилиндрического шарнира лежит в плоскости, перпендикулярной оси шарнира, и может иметь любое направление в этой плоскости. Для определения R ее раскладывают на два взаимноперпендикулярных направления: R x и R y (рис. 1.7).

4. Подвижная шарнирная опора.

Реакция связиR направлена перпендикулярно плоскости возможного перемещения шарнира (рис. 1.8).

5. Шаровый шарнир и подпятник (рис. 1.9, рис. 1.10).

Р
еакция шарового шарнира и подпятника может иметь любое направление в пространстве.

Аксиома связей. Всякое несвободное тело можно рассматривать как свободное, если отбросить связи и заменить их действие реакциями этих связей (рис. 1.11).

Сложение сил

Геометрический способ сложения сил

Величина, равная геометрической сумме сил какой-либо системы называется главным вектором этой системы сил.

Пусть на твердое тело действует плоская система сил (F 1 , F 2 , F 3 , …, F n) (рис. 1.12).

Из произвольно выбранной точки О откладывается векторF 1 , из его конца откладывается вектор F 2 и т.д. Вектор R, замыкающий силовой многоугольник, является результирующим:

Сложение двух сил

Пусть на тело действуют две силы, лежащие в одной плоскости (рис. 1.13).

Результирующая сила определяется по правилу параллелограмма, модуль силы определяется по теореме косинусов или синусов:

;
.

Сложение трех сил не лежащих в одной плоскости

Рассмотрим три силы,,не лежащие в одной плоскости (рис. 1.14). Результирующая силаравна:

.

Направление силы определим по направляющим косинусам:

;
;
.

Разложение сил

Разложение сил по двум заданным направлениям

Пусть надо силуF разложить по направлениям AB и AD (рис. 1.15).

.

Задача сводится к построению параллелограмма, у которого стороны расположены по направлениям AB и AD и данная сила F является диагональю. Тогда стороны параллелограмма будут искомыми силами.

Разложение сил по трем заданным направлениям.

Пусть направления силы не лежат в одной плоскости. Тогда задача сводится к построению параллелепипеда, у которого диагональю является данная сила, а ребра параллельны заданным направлениям (рис. 1.16).

.

Вопросы для самоконтроля

Что изучает статика?

Что такое абсолютно твердое тело?

Основные виды связей и их реакции?

Геометрическое сложение сил?

Литература: , , .

Лекция 2.

Действия над силами. Система сходящихся сил

Проекция силы на ось и на плоскость

Проекция силы на ось. Пусть сила F образует с осью OX угол  (рис. 2.1), тогда проекция этой силы на ось будет:

Проекция силы на ось есть величина скалярная.

Проекция силы на плоскость. Проекцией силы F на плоскость OXY называется вектор F xy = OB 1 , заключенный между проекциями начала и конца силы F на эту плоскость (рис. 2.2.)

Проекция силы на плоскость есть величина векторная, так как она кроме численного значения характеризуется направлением на плоскости. По модулюF xy = Fcos, где  - угол между направлением силы F и ее проекцией F xy .

Аналитический способ задания сил . Для аналитического способа задания силы необходимо выбрать систему координат OXYZ и спроектировать силу на оси координат (рис. 2.3).

Направляющие косинусы определяются по формулам:

;
;
.

Для плоской системы сил:

;
;
;
.

Основной закон статики сформулирован для так называемых свободных систем , в которых все внешние силы являются задаваемыми , не зависящими от других сил. Вместе с тем, многие инженерные задачи сводятся к рассмотрению равновесия или движения систем, перемещения точек которых ограничены. В таких случаях возможно появление зависимости между внешними силами.

Тело, перемещениям которого в пространстве препятствуют какие-либо другие тела - связи , называют несвободным. В местах контакта системы со связью возникают силы.

Силу, с которой данная связь воздействует на тело, препятствуя его перемещению, называют силой реакции связи , или просто реакцией связи. Она равна по модулю силе давления на связь и противоположна ей по направлению. Введение реактивных сил приводит к разделению внешних сил, действующих на систему, на две группы:

• задаваемые (активные) - это силы, величины которых могут не зависеть от других сил и назначаться произвольно. Эти силы не исчезают при удалении всех связей;
• реакции связей (реактивные ) - это силы, появляющиеся после отбрасывания связей, величины которых зависят от активных сил. Реакции связей, как правило, неизвестны. Для их определения

надо решить задачу статики, рассматривая равновесие системы, или задачу исследования движения (в общем случае).

Указанный ранее подход учета влияния связей часто называют принципом освобождаемости. Заметим, что этот способ не является единственным. В гл. 4 изложена методика, согласно которой наличие связей учитывают на основании кинематических соображений.

Направление и точку приложения реакции связи в виде сосредоточенной силы устанавливают на основании опыта в зависимости от конструкции связи. Правильное определение направлений реакций связи очень важно при решении задач механики. Приведем некоторые примеры связей и их реакций.

Гладкая поверхность - это поверхность, трением о которую можно пренебречь (связи без трения относятся к так называемым идеальным связям). Реакция N гладкой поверхности или опоры направлена по общей нормали к поверхностям соприкосновения тел в точке касания и приложена к этой точке (рис. 1.10,я). В случае, когда поверхности контакта тела и связи - плоскости, положение точки приложения реакции (координатах) заранее не определено и находится из условий равновесия (рис. 1.10,6). Если одна из соприкасающихся поверхностей в месте контакта вырождается в точку, то реакция направлена по нормали к другой поверхности (рис. 1.10,с).

Рис. 1.10.

Нить. Реакция связи Г, выполненной в виде гибкой нити, направлена вдоль нити к точке ее подвеса (рис. 1.11).

Рис. 1.11.

Цилиндрический шарнир (подшипник). В зависимости от системы сил, приложенной к телу, вал шарнира может прижиматься к различным точкам внутренней поверхности «обоймы», из-за чего даже при отсутствии трения реакция такого шарнира неизвестна по направлению. Можно лишь утверждать, что главный вектор Я реактивных сил цилиндрического идеального шарнира расположен в

плоскости ху у перпендикулярной к оси шарнира, и проходит через центр шарнира. Для силы Я в этом случае наперед не известны ни

ее модуль

ни ее направление Za (рис. 1.12).

Рис. 1.12.

При решении практических задач часто силу Я заменяют ее двумя эквивалентными составляющими, направленными вдоль осей координат X и У (см. рис. 1.12).

Ненагруженный стержень - это стержень, на который не действуют силы по его длине ЛВ (рис. 1.13). Две силы, приложенные на концах такого стержня УУ"и могут его уравновесить только

тогда, когда они равны по модулю и направлены по одной прямой в противоположные стороны. Следовательно, реакция N невесомого шарнирно закрепленного стержня направлена вдоль линии, соединяющей центры шарниров, которыми стержень прикреплен к рассматриваемому телу и другой связи.

В процессе решения задач статики для несвободного твердого тела обычно отбрасывают все связи и применяют условия равновесия для свободного тела.

Тела, рассматриваемые в механике, могут быть сво­бодными и несвободными .

Свободным называют тело, которое не испытывает никаких препятствий для перемещения в пространстве в любом направлении. Если же тело связано с другими телами, которые ограничивают его движение в одном или нескольких направлениях, то оно является несвободным .

Тела, которые ограничивают движение рассматриваемого тела называют связями .

В результате взаимодействия между телом и его свя­зями возникают силы , противодействующие возможным движениям тела . Эти силы действуют на тело со стороны связей и называются реакциями связей.

Реакция связи всегда противоположна тому направле­нию, по которому связь препятствует движению тела.

Определение реакций связей является одной из наи­более важных задач статики. Ниже приведены наиболее распространенные виды связей, встречающиеся в меха­нике.

Связь в виде гладкой (т. е. без учета сил трения) плоскости или поверхности (рис.а, б ). В этом случае реакция связи всегда направлена по нормали к опорной поверхности .

Связь в виде шероховатой плоскости (рис. в ). Здесь возникают две составляющие реакции: нормальная N , перпендикулярная плоскости, и касательная Т , лежащая в плоскости. Касательная реакция Т называется силой трения и всегда направлена в сторону, противоположную действительному или возможному движению тела.

Полная реакция R , равная геометрической сумме нормальной и касательной составляющих

R =N + Т , отклоняется от нормали к опорной поверхности на некоторый угол ρ .

При взаимодействии тела с реальными связями возни­кают силы трения . Однако во многих случаях силы тре­ния незначительны и вследствие этого ими часто пренебре­гают , т. е. считают связи абсолютно гладкими .

Связи , в которых отсутствуют силы трения , называют идеальными . Приведенная выше связь в виде гладкой плоскости или поверхности относится к категории иде­альных .

Гибкая связь, осуществляемая веревкой, тросом, цепью и т. п. (рис. г ). Реакция гибкой связи направ­лена вдоль связи, причем гибкая связь может работать только на растяжение .

Связь в виде жесткого стержня с шарнирным закреп­лением концов (рис.д ). Здесь реакции, так же как и в гибкой связи, всегда направлены вдоль осей стерж­ней , но стержни могут быть как растянутыми, так и сжа­тыми .

Связь, осуществляемая ребром двугранного угла или точечной опорой (рис.е ). Реакция такой связи направлена перпендикулярно поверхности опирающегося тела, если эту поверхность можно считать гладкой .

Существование реакций связей обосновывается . Для определения реакций связей используют прием освобождения от связей.

Вот этот прием. Не изменяя равновесия тела или системы тел, каждую связь, наложенную на систему, можно отбросить, заменив ее действием реакции отброшенной связи.

Лекция 1

ВВЕДЕНИЕ. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ СТАТИКИ

Предмет механики.

Основные понятия и аксиомы статики.

Связи и реакции связей.

Предмет механики

Механика  это наука, изучающая основные законы механического движения, т.е. законы изменения взаимного расположения материальных тел или частиц в сплошной среде с течением времени. Содержанием курса теоретической механики в техническом вузе является изучение равновесия и движения абсолютно твердых тел, материальных точек и их систем. Теоретическая механика является базой для многих обще-профессиональных дисциплин (сопротивление материалов, детали машин, теория машин и механизмов и др.), а также имеет самостоятельное мировоззренческое и методологическое значение. Иллюстрирует научный метод познания закономерностей окружающего нас мира – от наблюдения к математической модели, её анализ, получение решений и их применение в практической деятельности.

Курс теоретической механики традиционно делится на три части:

Статика  изучает правила эквивалентного преобразования и условия равновесия систем сил.

Кинематика  рассматривает движение тел с геометрической стороны, без учета сил, вызывающих это движение.

Динамика  изучает движение тел в связи с действующими на них силами.

Основные задачи статики:

Изучение методов преобразования одних систем сил в другие, эквивалентные данным.

Установление условий равновесия систем сил.

Основные понятия и аксиомы статики

Сила  мера механического воздействия одного тела на другое. Физическая природа сил в механике не рассматривается.

Сила задается модулем, направлением и точкой приложения. Обозначается большими буквами латинского алфавита: 
 модуль силы. Анали-

тически силу можно задать ее проекциями на оси координат: , , , а направление в пространстве  направляющими косинусами:
,
,
.

Совокупность нескольких сил, действующих на твердое тело, называется системой сил . Две системы сил эквивалентны () между собой, если, не нарушая состояния тела, одну систему сил можно заменить другой.

Сила, эквивалентная данной системе сил, называется равнодействующей :
 . Не всегда систему сил можно заменить равнодействующей.

Систему сил, приложенную к свободному твердому телу, находящемуся в равновесии, и не выводящую его из этого состояния, называют уравновешенной системой сил
~ 0.

Абсолютно твердое тело  тело, у которого расстояние между любыми двумя точками остается неизменным.

Аксиомы:

Следствие : Точку приложения силы можно переносить вдоль линии действия силы.

Доказательство:

К телу в точке А приложена сила . Добавим в точке В систему сил,
:
.
, но
, следовательно,
. Следствие доказано.

Две силы, приложенные к телу в одной точке, имеют равнодействующую, проходящую через эту точку и равную их геометрической сумме.

,

,

Из этой аксиомы следует, что силу можно разложить на любое количество составляющих сил по заранее выбранным направлениям.

Силы взаимодействия двух тел равны по модулю и направлены по одной прямой в противоположные стороны.

Равновесие деформируемого тела не нарушится, если это тело отвердеет.

Иными словами, необходимые условия равновесия деформируемых и абсолютно твердых тел совпадают, что позволяет применять получаемые результаты для реальных тел и конструкций, не являющихся абсолютно твердыми.

Связи и реакции связей

Тело называется свободным , если его перемещение в пространстве ничем не ограничено. В противном случае тело называется несвободным , а тела, ограничивающие перемещения данного тела,  связями . Силы, с которыми связи действуют на данное тело, называются реакциями связей .

Основные виды связей и их реакции:

Реакция гладкой поверхности направлена по нормали к этой поверхности (перпендикулярна общей касательной).

Реакция перпендикулярна опирающейся поверхности.

Идеальная нить (гибкая, невесомая, нерастяжимая):

Примеры: моделирует трос, канат, цепь, ремень,…

Реакция идеальной нити направлена по нити к точке подвеса.

Идеальный стержень (жесткий, невесомый стержень, на концах которого шарниры):

Реакция связи направлена по стержню.

В отличие от нити стержень может работать и на сжатие.

Цилиндрический шарнир:

Такая связь позволяет телу перемещаться вдоль оси, поворачиваться вокруг оси шарнира, но не позволяет точке закрепления перемещаться в плоскости, перпендикулярной оси шарнира. Реакция лежит в плоскости, перпендикулярной оси шарнира, и проходит через нее. Положение этой реакции не определено, но она может быть представлена двумя взаимно перпендикулярными составляющими.

Сферический шарнир:

Такая связь не дает точке закрепления тела перемещаться ни в одном из направлений. Положение реакции не определено, но она может быть представлена тремя взаимно перпендикулярными составляющими.

Подпятник:

Реакция данной связи задается аналогично предыдущему случаю.

Жесткая заделка:

Такая связь препятствует перемещению и повороту вокруг точки закрепления. Контакт тела со связью осуществляется по поверхности. Имеем распределенную систему сил реакции, которая, как будет показано, может быть заменена одной силой и парой сил.

Аксиома освобождаемости от связей:

Литература: [1 , §13];

[2 , §13];

[ 3 , п.1.11.4].