Как найти момент силы относительно осей координат

Содержание:

Моменты силы относительно точки и оси:

Для рассмотрения различных систем сил необходимо ввести понятия алгебраического и векторного моментов силы относительно точки и момента силы относительно оси. Введем эти характеристики действия силы на твердое тело и рассмотрим их свойства.

Алгебраический момент силы относительно точки

При рассмотрении плоской системы сил, приложенных к твердому телу, используется понятие алгебраического момента силы относительно точки.

Рис. 19

Алгебраическим моментом силы относительно точки называют произведение модуля силы на плечо силы относительно этой точки (рис. 19), взятое со знаком плюс или минус.

Плечом относительно точки называют кратчайшее расстояние между этой точкой и линией действия силы, т. е. длину отрезка перпендикуляра, опущенного из точки на линию действия силы .

Обозначим или алгебраический момент силы относительно точки . Тогда

Если сила стремится вращать тело вокруг моментной точки (точки, относительно которой вычисляют алгебраический момент силы) против часовой стрелки, то берем знак плюс, если по часовой стрелке — знак минус.

Алгебраический момент силы представляет собой произведение силы на длину (в ).

Из определения алгебраического момента силы относительно точки следует, что он не зависит от переноса силы вдоль ее линии действия. Алгебраический момент силы относительно точки равен нулю, если линия действия силы проходит через моментную точку. Сумма алгебраических моментов относительно точки двух равных по модулю, но противоположных по направлению сил, действующих вдоль одной прямой, равна нулю. Численно алгебраический момент относительно точки равен удвоенной площади треугольника, построенного на силе  и моментной точке:

Векторный момент силы относительно точки

При рассмотрении пространственной системы сил, приложенных к твердому телу, применяется понятие векторного момента силы относительно точки.

Векторным моментом силы относительно точки называют вектор, приложенный в этой точке и равный по модулю произведению силы на плечо силы относительно этой точки. Векторный момент силы направлен перпендикулярно плоскости, в которой лежат сила и моментная точка, таким образом, что с его конца можно видеть стремление силы вращать тело против движения часовой стрелки (рис. 20).

Плечом силы относительно точки называют кратчайшее расстояние от этой точки до линии действия силы.

Рис. 20

Условимся векторный момент  силы относительно точки обозначать , а его числовую величину — . Тогда, согласно определению,

Как и для алгебраического момента, векторный момент силы относительно точки равен удвоенной площади треугольника, построенного на силе и моментной точке:

Справедлива формула

где —радиус-вектор, проведенный из моментной точки в точку приложения силы или любую другую точку линии действия силы.

Чтобы убедиться в справедливости формулы (3), достаточно показать, что по величине и направлению выражает векторный момент силы относительно точки . По определению векторного произведения двух векторов известно, что

Как показано на рис. 20, , причем это равенство справедливо для любой точки линии действия, куда проведен радиус-вектор . Итак,

что совпадает с векторным моментом силы относительно точки . Вектор , как известно, перпендикулярен плоскости, в которой расположены векторы и , т. е. плоскости треугольника , которой перпендикулярен и векторный момент .

Направление тоже совпадает с направлением . Заметим, что векторный момент силы относительно точки считается вектором, приложенным к этой точке.

Векторный момент силы относительно точки не изменяется от переноса силы вдоль ее линии действия. Он станет равным

нулю, если линия действия силы пройдет через моментную точку.

Рис. 21 

Если сила дана своими проекциями на оси координат и даны координаты точки приложения этой силы (рис. 21), то векторный момент относительно начала координат, согласно формуле (3), после разложения по осям координат вычисляем по формуле

где — единичные векторы, направленные по осям координат.

Используя формулу (4), можно выделить проекции на оси координат:

Модуль векторного момента и косинусы углов его с осями координат определяем по формулам

В формулах (6) числовую величину берем со знаком плюс.

Момент силы относительно оси

Моментом силы относительно оси называют алгебраический момент проекции этой силы на плоскость, перпендикулярную оси, относительно точки пересечения оси с этой плоскостью (рис. 22). Момент силы относительно оси считается положительным, если проекция силы на плоскость, перпендикулярную оси (проекция силы на плоскость является вектором), стремится вращать тело вокруг положительного направления оси против часовой стрелки, и отрицательным, если она стремится вращать тело по часовой стрелке. Момент силы, например, относительно оси обозначим .

 Рис. 22

По определению,   

где — вектор проекции силы на плоскость , перпендикулярную оси , а точка — точка пересечения оси с плоскостью .

Из определения момента силы относительно оси следует, что введенный выше алгебраический момент силы относительно точки можно считать моментом силы относительно оси, проходящей через эту точку, перпендикулярно плоскости, в которой лежат сила и моментная точка. Момент силы относительно оси можно выразить через площадь треугольника, построенного на проекции силы   и точке пересечения оси с плоскостью:

Из формулы (8) можно получить следующие важные свойства момента силы относительно оси:

1. Момент силы относительно оси равен нулю, если сила параллельна оси. В этом случае равна нулю проекция силы на плоскость, перпендикулярную оси.
2. Момент силы относительно оси равен нулю, если линия действия силы пересекает эту ось. В этом случае линия действия проекции силы на плоскость, перпендикулярную оси, проходит через точку пересечения оси  с плоскостью и, следовательно, равно нулю плечо силы относительно точки .

В обоих этих случаях ось и сила лежат в одной плоскости. Объединяя их, можно сказать, что момент силы относительно оси равен нулю, если сила и ось лежат в одной плоскости.

Связь момента силы относительно оси с векторным моментом силы относительно точки на оси

Используя формулу (8), имеем (рис. 23)

Векторный момент силы относительно точки , взятой на пересечении оси с перпендикулярной плоскостью , выражается в виде

Векторный момент направлен перпендикулярно плоскости треугольника . Аналогично, для другой точки  оси 

причем векторный момент  направлен перпендикулярно плоскости треугольника . Треугольник является проекцией треугольников и на плоскость . Из геометрии известно, что площадь проекции плоской фигуры равна площади проецируемой фигуры, умноженной на косинус угла между плоскостями, в которых расположены эти фигуры. Угол между плоскостями измеряется углом между перпендикулярами к этим плоскостям. Перпендикуляром к плоскости треугольника является ось , а перпендикулярами к плоскостям треугольников  и —соответственно векторные моменты и . Таким образом, , где — угол между вектором и осью . Отсюда по формулам (8′) и (9) имеем

причем знак полностью определяется знаком .

Аналогично,

т. е.

где  — любая точка на оси .

Формулы (11) и (12) отражают искомую связь между моментом силы относительно оси и векторными моментами силы относительно точек, лежащих на этой оси: момент силы относительно оси равен проекции на эту ось векторного момента силы относительно любой точки на оси.

Эту зависимость между моментом силы относительно оси и векторным моментом силы относительно точки на оси можно принять за определение момента силы относительно оси.

Рис. 23

Формулы для моментов силы относительно осей координат

Используя связь момента силы относительно оси с векторным моментом силы относительно точки на оси, можно получить формулы для вычисления моментов относительно осей координат, если даны проекции силы на оси координат и координаты точки приложения силы. Для оси имеем

Согласно (5),

следовательно,

Аналогично, для осей и

Окончательно

По формулам (13) можно вычислить моменты силы относительно прямоугольных осей координат.

По этим формулам получаются необходимые знаки для  , если проекции силы на оси координат и координаты точки приложения силы подставлять в них со знаками этих величин.

При решении задач момент силы относительно какой-либо оси часто получают, используя его определение, т. е. проецируя силу на плоскость, перпендикулярную оси, и вычисляя затем алгебраический момент этой проекции относительно точки пересечения оси с этой плоскостью.

Момент пары сил. Сложение пар сил. Равновесие пар сил

При изучении теоретической механики необходимо совершенно отчетливо уяснить, что в статике рассматриваются два простейших элемента: сила и пара сил. Любые две силы, кроме сил, образующих пару, всегда можно заменить одной —сложить их (найти равнодействующую). Пара сил нс поддается дальнейшему упрощению, она не имеет равнодействующей и является простейшим элементом.

Действие пары сил на тело характеризуется ее моментом — произведением одной из сил пары на ее плечо (на кратчайшее расстояние между линиями действия сил, образующих пару).

Единицей момента пары сил в Международной системе служит 1 нм (ньютон-метр = 1 н-1ж), а в системе МКГСС (технической)— 1 кГ-м.

Несколько пар сил, действующих на тело в одной плоскости, можно заменить одной парой сил (равнодействующей парой), момент которой равен алгебраической сумме моментов данных пар:

При равновесии пар сил

Если пары сил действуют в одной плоскости, то при решении задач достаточно рассматривать моменты пар как алгебраические величины. Причем знак момента определяется в зависимости от направления вращающего действия пары сил.

Дальнейшее изложение основано на правиле, т. е. считается момент положительным, если пара сил действует против хода часовой стрелки, если же пара сил действует на тело но ходу часовой стрелки, то момент считается отрицательным.

В том случае когда пары сил действуют на тело будучи расположенными в различных плоскостях, гораздо удобнее рассматривать пару сил как вектор, направленный перпендикулярно

к плоскости действия пары сил (рис. 62). Направление вектора в зависимости от направления вращательного действия пары определяется по направлению движения винта с правой нарезкой.

Задача 1.

Определить момент пары сил (рис. 63), если н, АВ — 0,5 м и а = 30°.

Решение.

1.    При определении момента пары сил нужно прежде всего правильно определить плечо пары. При этом необходимо различать следующие понятия: плечо пары сил и расстояние между точками приложения сил нары.

Так как в механике твердого тела сила—скользящий вектор, то действие силы не изменяется при переносе точки ее приложения вдоль линии ее действия. Значит расстояние между точками приложения сил, образующих пару, можно изменять неограниченно. Но плечо пары при этом переносе остается неизменным.

В частном случае расстояние между точками приложения сил, образующих пару, может быть равно плечу.

Чтобы определить плечо данной пары из точки приложения одной из сил, например из точки В, восставим перпендикуляр ВС к линии действия другой силы. Расстояние ВС и есть плечо данной пары сил. Расстояние между точками приложения сил, образующих пару, АВ=0,5 м.

Легко видеть, что

2.    Найдем момент пары сил:

Задача 2.

Как изменится момент пары сил показанной на рис. 64, а (P = 50 н, AВ=0,4 м и а=135), если

повернуть силы так, чтобы они стали перпендикулярными АВ? Решение.

1.    Найдем момент пары при заданном положении ее сил (рис. 64, а).

Из точки В восставим перпендикуляр ВС к линиям действия сил  и найдем его длину:

Момент пары при заданном положении сил

2. Повернем силы из заданного положения на угол =а°— 90э в направлении против хода часовой стрелки (рис. 64, б). При таком положении сил относительно АВ плечом пары сил является расстояние между точками их приложения, поэтому

3.    Сравнивая полученные результаты, видим, что после поворота сил момент пары увеличивается на 20—14,5 = 5,85 н-м.

4.    Легко заметить, что силы могут достичь перпендикулярного положения к АВ после их поворота на угол у в направлении по ходу часовой стрелки (рис. 64, в). В том случае плечом пары является тот же отрезок АВ, но момент пары

Момент пары сил изменяет свой знак.

Задача 3.

К точкам А, С и В, D, образующим вершины квадрата со стороной 0,5 м (рис. 65, а), приложены равные по модулю силы (Р = 12н) таким образом, что они образуют две пары сил

Определить момент равнодействующей пары сил

Решение 1.

Плечи у обеих пар сил равны стороне квадрата поэтому

Решение 2.
1.    Перенесем силы из точек в точки В и D (рис. 65, б). В точках В и D получаются системы сходящихся сил  и одинаковыми модулями.

2.    Сложим попарно эти силы у каждой из точек В и D. В обоих случаях

3.    Силы R, модули которых теперь известны, направлены перпендикулярно к диагонали BD квадрата. Значит эта диагональ является плечом вновь образовавшейся пары сил заменяющей собой две данные.

4.    Найдем момент пары 

и, следовательно,

Эту пару в соответствии со вторым решением можно представить в виде пары с плечом BD (диагональю данного квадрата).

Но можно равнодействующую пару представить и в любом другом виде, например в виде сил Q = 24 и, приложенных к двум любым вершинам квадрата ABCD (рис. 65, в)

• Заказать решение задач по теоретической механике

Задача 4.

На прямоугольник ABCD (рис. 67) вдоль его длинных сторон действует пара сил Какую пару сил нужно приложить к прямоугольнику, направив силы вдоль его коротких сторон, чтобы уравновесить пару

Решение.

1.    Момент данной пары сил

необходимо уравновесить парой, момент которой обозначим Л1м. Тогда, согласно условию равновесия,

Откуда

20 н каждая и одна из них должна действовать вдоль стороны АВ от А к В, вторая — вдоль стороны CD от С к D.

Задача 5.

Прямолинейный стержень АВ должен находиться в равновесии в положении, показанном на рис. 68, а (угол а = При этом в точках А и В на стержень действуют вертикальные силы образующие пару Какие две равные силы нужно приложить к стержню в точках С и D, направив их перпендикулярно к стержню, чтобы обеспечить равновесие. АВ = 3 м, CD— 1 м,

Решение.

1. Пару сил можно уравновесить только парой сил. Поэтому в точках С и D к стержню необходимо приложить две равные силы так, чтобы они образовали пару сил с моментом, равным моменту пары но имеющим противоположный знак.

Так как пара поворачивает стержень на ходу часовой стрелки, искомые силы должны поворачивать его против хода часовой стрелки (рис. 68, б).

2. Применяем условие равновесия:

Или, подставив значения моментов,
 где

Отсюда

Следовательно, в точках С и D необходимо приложить силы по 150 н каждая, как показано на рис. 68, б.

Момент силы относительно точки

Момент силы относительно точки при решении задач по статике, а затем и по динамике имеет не менее важное значение, чем проекции сил. Поэтому нужно уметь определять эту величину безошибочно. Обычно его числовое значение находят неправильно из-за ошибок, допускаемых при определении плеча.

Чтобы не допускать ошибок при определении моментов сил относительно точки, рекомендуется придерживаться следующего порядка:

1. Прежде всего нужно научиться «видеть» силу, момент которой определяем, и центр моментов — точку, относительно которой определяем момент (рис. 70 — сила  и центр моментов — точка В).
2. Затем из центра момента проводим прямую ВЬ перпендикулярно к линии действия силы DF. Длина перпендикуляра ВС от центра момента до линии действия силы и есть плечо.
3. Потом находим знак момента. При этом если сила стремится повернуть плечо вокруг центра момента против хода часовой стрелки, то считаем момент положительным; если по ходу часовой стрелки, то отрицательным (тоже правило, что и при определении знака момента пары сил).
4. Находим числовое значение момента силы относительно точки, умножив модуль силы на плечо.

По рис. 70

В частном случае момент силы может равняться нулю. Это происходит тогда, когда центр моментов лежит на линии действия силы, при этом плечо равняется нулю. По рис. 70 момент силы  относительно точки А (или С) равен нулю.

Задача 6.

Определить моменты шести заданных сил (рис. 71) относительно точек А, В и С, если 

Решение 1 — определение моментов гнести заданных сил относительно точки А (рис. 71, а).

1.    Центр моментов в точке А. Через точку А проходят линии действия трех сил Значит для этих сил плечи равны нулю. Следовательно,

2.    Находим момент силы  Опустив из точки А на линию действия

силы перпендикуляр AD, получим плечо силы Длину AD легко найти, так как это катет треугольника ABD:

3.    Величина момента отрицательная (сила поворачивает плечо AD вокруг точки А но ходу часовой стрелки), следовательно,

4.    Находим момент силы Плечом силы является перпендикуляр АЕ к СЕ — линии действия силы Из треугольника АСЕ

Величина момента положительная (плечо АЕ поворачивается около точки А силой против хода часовой стрелки). Следовательно,

5.    Находим момент силы Плечом силы относительно точки А является отрезок АС, так как сила направлена к АС перпендикулярно. Величина момента отрицательная:

Решение 2 — определение моментов сил относительно точки В (рис. 71, б).

1.    Центр моментов в точке В.

2.    Через точку В проходят линии действия двух сил: Следовательно,

3.    Находим момент силы Плечо силы

Величина момента отрицательная:

4.    Находим момент силы Плечо силы

Момент отрицательный:

5.    Находим момент силы Плечо силы

Величина момента положительная:

6.    Находим момент силы Плечом силыявляется отрезок ВС. Момент положительный:

Решение 3 — определение моментов сил относительно точки С (рис. 71, в) рекомендуется выполнить самостоятельно.
 

Ответ.

В задаче  силы расположены так, что либо их плечи определяются очень просто — как катеты прямоугольных треугольников, в которых даны гипотенузы, либо плечи заданы в условии задачи (ВС и АС).

Но иногда некоторые силы заданной системы оказываются расположенными относительно выбранного центра моментов так, что определить длину плеча трудно и требуется, например, предварительно вычислить длины еще одного-двух отрезков. В таких случаях целесообразно силу разложить на две составляющие и применить для определения ее момента теорему Вариньона.

Задача 7.

Определить моменты относительно точки я, приложенных в точках А, В и С, как показано на рис. 72, а. Углы ВС =1,5 м.

Решение.

1.    Относительно точки А моменты сил определяются аналогично

2. Находим момент силы Вариант 1-й (рис. 72, а). Плечо АЕ силы в данном случае определяем из в котором известен только . Значит нужно предварительно определить одну из сторон. Найдем AF:

AF = AB — FB.
Величину FB находим из в котором

следовательно,

И теперь можем определить плечо АЕ:

Раскрываем скобки и заменяем

Момент положительный, следовательно:

Вариант 2-й. Чтобы избежать определения плеча АЕ, которое в данном случае находится после предварительного вычисления двух отрезков (FB и AF), необходимо момент силы относительно точки А найти по теореме Вариньона: момент равнодействующей плоской системы сил относительно любой точки, лежащей в той же плоскости, равен алгебраической сумме моментов составляющих сил относительно той же точки.

Разложим силу на две составляющие: одну, направленную вдоль отрезка ВС, и другую — перпендикулярно к нему (рис. 72, б).

Модуль первой составляющей а ее плечо — отрезок АВ, длина которого задана. Модуль второй составляющей а ее плечо АК = ВС =1,5 м.

Применяя теорему Вариньона, получаем

Как видно, получено точно такое же значение момента, что и в первом варианте решения:

Момент силы относительно оси

К
твердому телу в точке А приложена сила

.
Проведем в пространстве ось (например
z).
На оси z
произвольно выберем точку О . Соединим
точку О с точкой А радиус-вектором.
Через точку О проведем плоскость П
перпенди-кулярную оси z.
Спроекти-руем вектора

и

на плоскость П .

Моментом
силы

относительно оси называется вектор
равный моменту проекции силы

на плоскость П относительно точки О
пересечения оси z
с плоскостью П.

Рис.
3-3

Свойства
момента силы относительно оси:

1. Момент
   силы относительно оси равен нулю, если
   сила параллельна оси. В этом случае
   равна нулю проекция силы на плоскость,
   перпендикулярную оси.

2. Момент
   силы относительно оси равен нулю, если
   линия действия силы пересекается с
   осью. В этом случае равно нулю плечо
   силы.

Связь момента силы относительно оси с моментом силы относительно точки.

Проведем
через точку О, где задан момент силы
относительно точки

декартовы оси координат x,
y, z
. Момент силы относительно точки можно
представить в виде суммы трех векторов

.
Эти вектора являются моментами силы
относительно осей x,
y,
z
соответственно.

Момент
силы относительно оси равен проекции
на эту ось момента силы относительно
любой точки на оси.

Формулы для моментов силы относительно осей координат.

Если
сила

задана своими проекциями

на оси координат и даны координаты

точки приложения этой силы, относительно
осей координат, то моменты силы
относительно осей координат
вычисляется следующим образом:

Лекция 4

Краткое содержание:
Пара сил. Теорема о сумме моментов пары
сил. Теорема об эквивалентности пар
сил. Теорема о переносе пары сил в
параллельную плоскость. Теорема о
сложении пар сил. Условия равновесия
пар сил.

Пара сил

Парой
сил
называется система двух равных по
модулю, параллельных и направленных в
противоположные стороны сил, действующих
на абсолютно твердое тело.

Плоскостью
действия пары сил
называется плоскость в которой расположены
эти силы.

Плечом
пары сил
d
называется кратчайшее расстояние между
линиями действия сил пары.

Моментом
пары сил
называется вектор
,
модуль которого равен произведению
модуля одной из сил пары на ее плечо и
который направлен перпендикулярно
плоскости действия сил пары в ту сторону,
откуда пара видна стремящейся повернуть
тело против хода часовой стрелки.

Рис.
4.1

Теорема
о сумме моментов пары сил.
Сумма моментов сил, входящих в состав
пары, относительно любой точки не зависит
от выбора этой точки и равна моменту
этой пары сил.

Доказательство:
Выберем произвольно точку О. Проведем
из нее в точки А и В радиус-векторы
(Смотри Рис. 4.2).

,

Что
и требовалось доказать.

Р
ис.
4.2

Две
пары сил называются эквивалентными,
если их действие на твердое тело одинаково
при прочих равных условиях.

Теорема
об эквивалентности пар сил.
Пару сил, действующую на твердое тело,
можно заменить другой парой сил,
расположенной в той же плоскости действия
и имеющий одинаковый с первой парой
момент.

Доказательство:
Пусть на твердое тело действует пара
сил
.

Перенесем
силу

в точку
,
а силу

в точку
.
Проведем через точки

две любые параллельные прямые,
пересекающие линии действия сил пары.
Соединим точки

отрезком прямой и разложим силы
в
точке

и

в точке

по правилу параллелограмма.

Так
как
,
то

и

Поэтому

эквивалентна системе
,
а эта система эквивалентна системе
,
так как

эквивалентна нулю.

Таким
образом мы заданную пару сил

заменили другой парой сил
.
Докажем, что моменты у этих пар сил
одинаковы.

Момент
исходной пары сил

численно равен площади параллелограмма

,
а момент пары сил

численно равен площади параллелограмма

.
Но площади этих параллелограммов
равны, так как площадь треугольника

равна площади треугольника
.

Что и требовалось
доказать.

Выводы:

1. Пару
   сил как жесткую фигуру можно как угодно
   поворачивать и переносить в ее плоскости
   действия.

2. У
   пары сил можно изменять плечо и силы,
   сохраняя при этом момент пары и плоскость
   действия.

Теорема
о переносе пары сил в параллельную
плоскость.
Действие
пары сил на твердое тело не изменится
от переноса этой пары в параллельную
плоскость.

Доказательство:
Пусть на твердое тело действует пара
сил

в плоскости
.
Из точек приложения сил А и В опустим
перпендикуляры на плоскость

и в точках их пересечения с плоскостью

приложим две системы сил

и
,
каждая из которых эквивалентна нулю.

Сложим
две равные и параллельные силы

и
.
Их равнодействующая

параллель-на этим силам, равна их сумме
и приложена посредине отрезка

в точке О.

Сложим
две равные и параллельные силы

и
.
Их равнодействующая

параллель-на этим силам, равна их сумме
и приложена посредине отрезка

в точке О.

Так
как
,
то система сил

эквивалентна нулю и ее можно отбросить.

Таким
образом пара сил

эквивалентна паре сил
,
но лежит в другой, параллельной плоскости.
Что и требовалось доказать.

Следствие:
Момент пары сил, действующий на твердое
тело, есть свободный вектор.

Две
пары сил, действующих на одно и то же
твердое тело, эквивалентны, если они
имеют одинаковые по модулю и направлению
моменты.

Теорема
о сложении пар сил.
Две пары
сил, действующих на одно и то же твердое
тело, и лежащие в пересекающихся
плоскостях, можно заменить одной
эквивалентной парой сил, момент которой
равен сумме моментов заданных пар
сил.

Доказательство:
Пусть имеются две пары сил, расположенные
в пересекающихся плоскостях. Пара сил

в плоскости

характеризуется моментом
,
а пара сил

в плоскости

характеризуется моментом
.

Расположим
пары сил так, чтобы плечо пар было общим
и располагалось на линии пересечения
плоскостей. Складываем силы, приложенные
в точке А и в точке В,
.
Получаем пару сил
.

Что и требовалось
доказать.

Условия
равновесия пар сил.

Если
на твердое тело действует несколько
пар сил, как угодно расположенных в
пространстве, то последовательно
применяя правило параллелограмма к
каждым двум моментам пар сил, можно
любое количество пар сил заменить одной
эквивалентной парой сил, момент
которой равен
сумме моментов заданных пар сил.

Условия
равновесия пар сил.

Теорема.
Для равновесия
пар сил, приложенных к твердому телу,
необхо-димо и достаточно, чтобы момент
эквивалентной пары сил равнялся нулю.

Теорема.
Для равновесия пар сил, приложенных к
твердому телу, необходимо и достаточно,
чтобы алгебраическая сумма проекций
моментов пар сил на каждую из трех
координатных осей была равна нулю.

Лекция 5

Краткое содержание:
Приведение силы к заданному центру.
Приведение системы сил к заданному
центру. Условия равновесия пространственной
системы параллельных сил. Условия
равновесия плоской системы сил. Теорема
о трех моментах. Статически определимые
и статически неопределимые задачи.
Равновесие системы тел.

ПРИВЕДЕНИЕ
СИСТЕМЫ СИЛ К ЗАДАННОМУ ЦЕНТРУ. УСЛОВИЯ
РАВНОВЕСИЯ

Приведение
силы к заданному центру.

Равнодействующая
системы сходящихся сил непосредственно
находится с помощью сложения сил по
правилу параллелограмма. Очевидно, что
аналогичную задачу можно будет решить
и для произвольной системы сил, если
найти для них метод, позволяющий перенести
все силы в одну точку.

Теорема
о параллельном переносе силы.
Силу, приложенную к абсолютно твердому
телу, можно, не изменяя оказываемого ею
действия, переносить из данной точки в
любую другую точку тела, прибавляя при
этом пару с моментом, равным моменту
переносимой силы относительно точки,
куда сила переносится.

Пусть
сила

приложена в точке A.
Действие этой силы не изменяется, если
в точке B приложить две
уравновешенные силы. Полученная система
трех сил представляет собой силу

равную

, но приложенную в точке В и пару

с моментом

. Процесс замены силы

силой

и парой сил
называется
приведением силы

к заданному центру В .

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]

• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #

Содержание:

1. Момент силы
2. Момент силы относительно точки (центра)
3. Момент силы относительно оси
4. Зависимость между моментом силы относительно точки и оси, проходящей через эту точку
5. Моменты силы относительно координатных осей
6. Теорема Вариньона для пространственной системы сходящихся сил (Теорема о моменте равнодействующей силы)

Момент силы (момент силы относительно точки; также: крутящий момент, вращательный момент, вертящий момент, вращающий момент) — эо векторная физическая величина, характеризующая действие силы на механический объект, которое может вызвать его вращательное движение.

На странице -> решение задач по теоретической механике собраны решения задач и заданий с решёнными примерами по всем темам теоретической механики.

Момент силы

Система сходящихся сил, которая будет рассмотрена в главе 2, является особой среди
систем сил. Только в этой системе линии действия сил имеют одну точку пересечения. Поэтому для ее изучения достаточно основных понятий статики, рассмотренных в разделе 1. Для изучения других систем сил необходимо ознакомиться с понятиями момента силы и пары сил.

Понятие о моменте силы — одно из основных понятий механики, которое широко используется и в теоретических исследованиях и при практических расчетах. К понятию момента силы человечество пришло, рассматривая равновесие и движение тел, имеющих точку или ось вращения (в частности блоков и рычагов, которые использовались в практике еще до нашей эры).

Например, на неподвижный блок (рис. 3.1) действует сила , вращающей его вокруг горизонтальной оси О. Стержень АВ (рис. 3.2), который имеет неподвижную шарнирную опору A, будет вращаться вокруг оси шарнира под действием собственной силы тяжести В обоих примерах сила обуславливает вращательное движение тела. По мере вращательного действия силы на тело является момент силы.

Момент силы относительно точки (центра)

Заданная сила , изображена вектором , приложенная к некоторому телу в точке А. Определим момент силы относительно точки О (рис. 3.3). Векторным моментом силы относительно точки О называется вектор, приложенный в точке О, равный векторному произведению радиуса вектора точки приложения силы на вектор силы:

где — радиус-вектор точки приложения силы относительно точки О.

Определим величину (модуль) и направление вектора . Согласно понятиям и свойствам векторного произведения двух векторов, величина (Модуль) момента силы   относительно точки О равна:

Обозначим . Поскольку Тогда:

где (рис. 3.3) — высота  опущенная из вершины В (с точки О) на сторону АВ этого треугольника, совпадает с линией действия силы. Короткое расстояние от точки О до линии действия силы называется плечом силы относительно этой точки. Из этого следует, что модуль (величина) момента силы относительно точки равна произведению величины силы на ее плечо относительно этой точки.

Вектор направляется по правилу векторного произведения: векторный момент силы относительно точки (Центра) является перпендикулярным к плоскости, в которой размещены сила и точка (центр) так, чтобы с его конца было видно попытки силы возвращать тело вокруг точки (Центра) против хода часовой стрелки.
Заметим, что . Поэтому:

Модуль момента силы относительно точки равен удвоенной площади треугольника, вершинами которого является точка и начало и конец вектора

Если линия действия силы проходит через точку (центр), то h = 0, и из формулы (3.2) видно, что момент силы относительно этой точки будет равняться нулю.

Момент силы относительно точки не изменяется при переносе силы вдоль ее линии действия, поскольку неизменным остается плечо силы относительно точки (рис. 3.4).

Если на тело действует плоская система сил, то векторы моментов всех сил системы относительно некоторого центра, что лежит в плоскости действия сил, будут перпендикулярны этой плоскости, а следовательно, параллельные и их можно считать скалярными величинами, которые отличаются только величиной и знаками.

В этом случае целесообразно ввести понятие алгебраического момента силы относительно точки (центра), равный взятом со знаком «+» или «-» произведения модуля силы на плечо относительно этой точки (центра)

Будем считать момент положительным, если сила пытается вращать тело вокруг точки (центра) против хода часовой стрелки (рис. 3.5, а), и отрицательным — если по ходу часовой стрелки (рис. 3.5, б). Единицы момента силы:

Момент силы относительно оси

Изучая пространственные системы сил, будем использовать понятие момента силы относительно оси.

Моментом силы относительно оси называется величина, равная  алгебраическому моменту проекции силы на плоскость, перпендикулярную оси, относительно точки пересечения оси с этой плоскостью.

Пусть к телу в некоторой точке А приложена сила (Рис. 3.6). определим момент силы  относительно произвольной оси . Проведем плоскость П, перпендикулярную оси .
Точку пересечения плоскости П с осью обозначим А. Спроектируем силу на плоскость П и получим силу 

Согласно определению 

Таким образом, чтобы определить момент силы относительно оси, необходимо:
— спроектировать эту силу на плоскость, перпендикулярную оси;
— найти точку пересечения оси с этой перпендикулярной плоскостью;
— определить алгебраический момент полученной проекции относительно точки пересечения оси с плоскостью.

Из формулы (3.5) следует, что момент силы относительно оси равен нулю, если:
1) сила параллельна оси, тогда
2) линия действия силы пересекает ось, тогда

Эти два условия эквивалентны одному условию: момент силы относительно оси равен нулю, когда сила и ось лежат в одной плоскости. поскольку момент силы относительно оси , то согласно принятому правилу знаков моментов следует, что момент силы относительно оси положительный, если, смотря с конца оси, видим, что проекция этой силы на плоскость, перпендикулярную оси, пытается вращать тело вокруг оси против часовой стрелки (рис. 3.7, а). если вращение происходит в направлении хода часовой стрелки, то момент силы относительно оси будет отрицательным (рис. 3.7, б). Можно доказать, что момент силы относительно оси не зависит от выбора точки О на этой оси.

Зависимость между моментом силы относительно точки и оси, проходящей через эту точку

Теорема 3.1. Проекция векторного момента силы относительно точки на ось, проходящей через эту точку, равен моменту силы относительно этой оси.

Доказательство. Сила приложена в точке А пространства. Выберем произвольную точку О и проведем оси (рис. 3.8). Определим момент силы относительно оси и относительно точки О на ней.
Известно, что  

где 

Из курса элементарной геометрии известно, что 

где — угол между плоскостями этих треугольников, а следовательно, и угол между перпендикулярами к этим плоскостей.

Поскольку вектор перпендикулярный плоскости, а ось перпендикулярна  к 

Учитывая равенства (3.6), (3.7), получим 

Знак полностью определяется знаком .

Поскольку

что и требовалось доказать.

Моменты силы относительно координатных осей

Пусть на тело действует сила  приложенная в точке А (рис. 3.9). выберем произвольную точку О и из нее проведем оси декартовой системы координат.
Определим момент силы относительно этих осей. Для этого запишем выражение для момента силы относительно точки О.

Согласно (3.1),где — радиус-вектор точки А относительно точки О.
Вектор силы и радиусвектор через проекции на оси координат выражаются:

где  — координаты точки А; — орты выбранной системы координат.

Тогда векторное произведение можно записать в виде определителя:

Раскрывая этот определитель, получим 

Представим векторный момент через его проекции на оси координат:

Сравнивая правые части равенств (3.9) и (3.10), получим:

Поскольку точка О принадлежит осями , то из формул (3.11), учитывая зависимость (3.8), получим выражения:

Теорема Вариньона для пространственной системы сходящихся сил (Теорема о моменте равнодействующей силы)

Теорема 3.2. Момент равнодействующей пространственной системы сходящихся сил
относительно некоторого центра (точки) равна векторной сумме моментов составляющих сил относительно того же центра (точки).

Доказательство. На тело действует пространственная система сходящихся сил линии действия которых пересекаются в точке В (Рис. 3.10, а). заменим
данную систему сил эквивалентной системой, все силы которой приложенные в точке В
(Рис. 3.10, б). Равнодействующую системы, прилагаемую в той же точке В, обозначим . Найдем момент равнодействующей  относительно точки (центра) О. Согласно формуле (3.1), где — радиус-вектор точки приложения всех сил системы и равнодействующей относительно центра О.

Известно, что . Тогда 

Итак, получили равенство 

Теорема доказана.

Уравнение (3.13) является математическим записи теоремы Вариньона для пространственной системы сходящихся сил.
В случае плоской системы сходящихся сил теорема Вариньона запишется так:

Итак, момент равнодействующей плоской системы сходящихся сил относительно некоторого центра (точки), лежащий в плоскости действия сил, равна алгебраической сумме моментов составляющих сил относительно этого самого центра (точки).

Рассмотрим пример на применение теоремы Вариньона.

Задача. На согнутый под прямым углом стержень АВС действуют силы  и  как показано на рис. 3.11. Найти моменты этих сил относительно точки А, если

Решение.

Для определения момента силы относительно точки используем теорему Вариньона.
Разложим силу  на две составляющие: горизонтальную  и вертикальную .  Величины этих составляющих   Тогда, согласно теоремой 3.2, получим:

Услуги по теоретической механике:

1. Заказать теоретическую механику
2. Помощь по теоретической механике
3. Заказать контрольную работу по теоретической механике

Учебные лекции:

1. Статика
2. Система сходящихся сил
3. Пара сил
4. Произвольная система сил
5. Плоская произвольная система сил
6. Трение
7. Расчет ферм
8. Расчет усилий в стержнях фермы
9. Пространственная система сил
10. Произвольная пространственная система сил
11. Плоская система сходящихся сил
12. Пространственная система сходящихся сил
13. Равновесие тела под действием пространственной системы сил
14. Естественный способ задания движения точки
15. Центр параллельных сил
16. Параллельные силы
17. Система произвольно расположенных сил
18. Сосредоточенные силы и распределенные нагрузки
19. Кинематика
20. Кинематика твердого тела
21. Движения твердого тела
22. Динамика материальной точки
23. Динамика механической системы
24. Динамика плоского движения твердого тела
25. Динамика относительного движения материальной точки
26. Динамика твердого тела
27. Кинематика простейших движений твердого тела
28. Общее уравнение динамики
29. Работа и мощность силы
30. Обратная задача динамики
31. Поступательное и вращательное движение твердого тела
32. Плоскопараллельное (плоское) движение твёрдого тела
33. Сферическое движение твёрдого тела
34. Движение свободного твердого тела
35. Сложное движение твердого тела
36. Сложное движение точки
37. Плоское движение тела
38. Статика твердого тела
39. Равновесие составной конструкции
40. Равновесие с учетом сил трения
41. Центр масс
42. Колебания материальной точки
43. Относительное движение материальной точки
44. Статические инварианты
45. Дифференциальные уравнения движения точки под действием центральной силы и их анализ
46. Динамика системы материальных точек
47. Общие теоремы динамики
48. Теорема об изменении кинетической энергии
49. Теорема о конечном перемещении плоской фигуры
50. Потенциальное силовое поле
51. Метод кинетостатики
52. Вращения твердого тела вокруг неподвижной точки

Момент силы относительно точки и относительно оси в теоретической механике

Содержание:

Момент силы относительно точки и относительно оси:

Пусть дана сила Р, направленная как угодно в пространстве, и произвольная точка О (рис. 100).

Опустим из точки О перпендикуляр на силу Р (на чертеже перпендикуляр не показан) и обозначим плечо силы Р относительно точки О через р. Тогда моментом силы Р относительно точки О (или линейным моментом силы) Называется вектор М, численно равный произведению Р на плечо р и отложенный от точки О перпендикулярно плоскости, проходящей через Р и О в такую сторону, чтобы, смотря с конца стрелки вектора М, сила Р вращала плоскость ОАВ вокруг точки О против часовой стрелки.

Если из центра моментов О провести радиус-вектор

Из сказанного следует, что, линейный момент силы может быть представлен, как векторное произведение радиуса-вектора на силу Р, т. е.:

где — единичный вектор направления М.

Наряду с линейным моментом силы введем в рассмотрение еще одно важное понятие момента силы относительно оси.

Пусть требуется найти момент силы Р относительно какой-либо оси, например z (рис. 100). Для этого силу Р спроектируем на любую плоскость, перпендикулярную к оси z, например на координатную плоскость хОу; обозначим эту проекцию через . Затем из точки О пересечения оси z с плоскостью хОу опускаем перпендикуляр на направление найденной проекции силы Р. Тогда произведение , взятое со знаком или , и будет искомым моментом силы Р относительно оси z, т. е:

где знак берется, если, смотря с положительного направления оси z, проекция силы Р представляется вращающей плоскость хОу вокруг оси z против часовой стрелки, и знак минус, если по часовой стрелке. В нашем случае (рис. 100) в правой части равенства (41) следует взять знак плюс.

Следует заметить, что момент силы относительно оси обращается в нуль, когда сила параллельна оси или пересекает ось, т. е. когда вообще сила и ось расположены в одной плоскости.

С понятием момента силы относительно оси часто придется встречаться в дальнейшем. Если представить себе цилиндр (рис. 101), который может вращаться вокруг неподвижной оси z, то сила Р, действующая на цилиндр, не будет его вращать в двух случаях: когда она пересекает ось z (положение ) и когда она параллельна оси (положение ), т. е. когда сила Р и ось z лежат в одной плоскости и, следовательно, момент силы Р относительно оси z обращается в нуль.

Найдем зависимость между моментом силы Р относительно оси, например z (рис. 100), и моментом силы Р относительно точки О, взятой на этой оси.

Обозначим линейный момент силы через М, а момент силы относительно оси z представим в виде вектора , отложенного от точки О в положительном направлении оси z. Обозначим угол между М и через . Из рисунка 100 видно, что представляет собой проекцию на плоскость хОу, а поэтому, по известной теореме геометрии, имеем:

где — угол между плоскостями треугольников, или, что то же, — между векторами М и .

Умножив обе части последнего равенства на 2, получим:

Тогда на основании равенств (40) и (41) будем иметь:

Из равенства (42) следует, что проекции линейного момента силы на координатные оси х, у и z представляют собой момент силы Р относительно осей х, у и z.

Линейный момент М может быть выражен по формуле (4) через компоненты:

Величины можно определить, пользуясь равенствами (42) и (5) или (40а) и (11):

где — проекции радиуса вектора на координатные оси, или, что все равно, координаты точки приложения силы;

— проекции силы Р на координатные оси;

— углы, которые образует вектор М с координатными осями.

Если на точку А (рис. 102) действуют силы — их равнодействующая, то

Умножая векторно обе части равенства на радиус-вектор , проведенный из любой точки О в точку приложения сил А, имеем:

или

т. е. момент равнодействующей сил, линии действия которых пересекаются в точке, относительно любой точки равен геометрической сумме моментов сил составляющих относительно той же точки.

Проектируя векторное равенство (45) на координатные оси, согласно (42) получаем:

т. е. момент равнодействующей сил, линии действия которых пересекаются в одной точке, относительно какой-либо оси равен алгебраической сумме моментов сил составляющих относительной той же оси.

На основании последних равенств формулы (44) могут быть получены непосредственно из чертежа. Для этого представим силу Р (рис. 103), приложенную в точке А, определяемой координатами х, у и z в виде трех составляющих , параллельных координатным осям. Тогда на основании равенств (46) моменты силы Р относительно координатных осей найдутся непосредственно из чертежа:

Задача:

Найти моменты и силы относительно осей х, у и z (рис. 104), если сила Р параллельна оси Оу и OA совпадает с

Решение. Момент силы Р относительно оси у равен нулю, так как сила Р параллельна оси Оу, т. е. .

Для нахождения момента силы Р относительно оси Ох проектируем силу Р на плоскость yOz, перпендикулярную к оси Ох (проекция Р). Опустив далее из точки О пересечения оси Ох с плоскостью yOz перпендикуляр на направление проекции , имеем:

Аналогично находим, что . Моменты и силы Р относительно осей х, у и z можно было бы найти также по формулам (44):

Задача:

Найти линейный момент М силы относительно точки О, если сила Р направлена по диагонали куба (рис. 106) и и

Решение. Проекции силы Р на координатные оси будут:

Так как точка приложения силы нам известна, то проекции линейного момента М на координатные оси найдутся по формулам (44):

откуда по формуле (43) находим:

Момент силы относительно точки

Для равновесия рычага необходимо и достаточно, чтобы сумма моментов действующих на него сил относительно точки опоры равнялась нулю

Условие равновесия рычага. Твердое тело, имеющее возможность поворачиваться вокруг неподвижной оси под воздействием сил, линии действия которых расположены в плоскостях, перпендикулярных оси вращения, называют рычагом. Пусть рычаг (рис. 27) представляет собой невесомый жесткий стержень. На него действуют только две силы и , перпендикулярные к рычагу в точках А и В.

Если точка опоры С, т. е. точка пересечения оси вращения с плоскостью чертежа, лежит между линиями действия сил (рис. 27, а), то рычаг называют рычагом первого рода. Рычагом второго рода называют рычаг, в котором точка опоры находится по одну сторону от линий действия сил (рис. 27, б).

Для равновесия рычага необходимо и достаточно, чтобы равнодействующая активных сил и была уравновешена реакцией в точке опоры. Таким образом, равнодействующая сил и должна проходить через точку С, т. е. должно существовать равенство

Будем называть расстояние от точки опоры до линии действия силы плечом силы, а произведение модуля силы на плечо—моментом силы относительно точки опоры С. Момент .мы считаем положительным, если сила стремится повернуть рычаг против вращения стрелок часов, и отрицательным, если сила стремится повернуть плечо в ту же сторону, в какую поворачиваются стрелки часов. Момент силы относительно опоры на левом чертеже положительный, а момент силы — отрицательный.

Таким образом, условие равновесия рычага выразим так: для равновесия рычага необходимо и достатнчно, чтобы сумма моментов сил относительно точки опоры равнялась нулю:

(13)

Задача:

Груз G (рис. 28, а) поднимают тросом, перекинутым через блок и намотанным на барабан l лебедки. Барабан лебедки жестко скреплен с зубчатым колесом ll, которое находится в зацеплении с зубчатым колесом lll, жестко скрепленным с рукояткой O₃A. Определить силу F, прикладываемую к точке А рукоятки лебедки для равномерного поднятия груза G, в положении, изображенном на чертеже. Даны диаметры: D₁, D₂, D₃. Длина рукоятки O₃A=l.

Решение. Лебедку можно рассматривать как состоящую из двух рычагов. Один рычаг (назовем его первым) представляет собой твердое тело, состоящее из барабана l и шестерни ll и имеющее неподвижную ось O₁. Другой рычаг—твердое тело, состоящее из шестерни lll и рукоятки O₃A и имеющее неподвижную ось O₃. Для решения задачи из условия равновесия первого рычага определим давление P_3,2 между зубцами шестерен, а зная его, найдем F из условия равновесия второго рычага.

На первый рычаг действуют следующие силы (рис. 28, б): 1) сила натяжения троса, равная весу груза, направленная вверх и стремящаяся повернуть рычаг по ходу часовой стрелки; 2) давление P_3,2 зубцов колеса lll на зубцы колеса ll, направленное вверх и поворачивающее первый рычаг против хода часов, и 3) реакция в оси O₁.

Момент силы T относительно точки опоры O₁ равен — . Момент силы P_3,2 равен . Момент реакции в оси относительно точки O₁ равен нулю. Из условия равновесия рычага находим

Рис. 28

Ко второму рычагу (рис. 28, в) приложены: I) сила давления зубцов колеса II, равная (по принципу равенства действия и противодействия) P_3,2, но направленная вниз и стремящаяся повернуть второй рычаг против хода часов; 2) давление F руки человека, направленное вниз и поворачивающее рычаг по ходу часов, и 3) реакция в оси O₃, момент которой относительно O3 равен нулю.

Момент силы P_3,2 относительно точки опоры O₃ равен . Момент искомой силы F равен —F∙l. Пo условию равновесия рычага

Мы выясни ли, что момент силы относительно точки опоры рычага зависит не только от величины силы, но и от ее положения по отношению к точке опоры рычага. Чем дальше от точки опоры лежит линия действия силы, тем больше момент. Если сила не перпендикулярна рычагу (рис. 29), то способность ее поворачивать рычаг вокруг точки опоры мы и в этом случае будем измерять моментом силы, а под плечом будем понимать кратчайшее расстояние от точки опоры до линии действия силы. Пусть сила F приложена к рычагу в точке А и составляет с ним некоторый угол а. Разложим силу на две составляющие, из которых одна (F sin a) перпендикулярна к рычагу, а другая (F cos a) направлена вдоль рычага. Эта вторая составляющая не может повернуть рычаг, а поворачивать его будет только первая составляющая (F sin a) или, как говорят, только эта составляющая создает вращающий момент.

Рис. 29

Следовательно, момент силы F относительно опоры C

Но, как видно из чертежа, АC sin a= h. Называя плечом силы относительно точки длину перпендикуляра, опущенного из точки на линию действия силы, мы находим, что и в этом случае момент равен произведению модуля силы на плечо:

(14)

Момент силы относительно точки выражается произведением модуля силы на плечо, взятым со знаком плюс или минус

Момент силы относительно точки. Понятие момента применимо не только к силам, действующим на рычаг, но и к силам, приложенным ко всякому твердому телу. Момент силы может быть определен не только относительно опоры, но и относительно всякой точки. Точку, относительно которой определен момент силы, называют центром момента.

Таким образом, опуская из точки О перпендикуляр на линию действия силы и умножая модуль силы на длину этого перпендикуляра, получим момент силы F относительно точки О. Знак момента будем определять, руководствуясь следующим правилом: если мысленно, закрепив центр момента и действуя на плечо в направлении силы, будем поворачивать плечо против хода часовой стрелки, то момент силы относительно данного центра положителен, если же по ходу часовой стрелки, то ‘.момент отрицателен.

Так (рис. 30), моменты сил , и относительно точки О положительны, а моменты сил и относительно той же точки отрицательны.

Одна и та же сила может иметь положительный момент относительно одной точки и отрицательный —относительно другой. Так, момент силы (рис. 31) относительно точки О положителен, а относительно точки C отрицателен.

Рис. 30

Рис. 31

Момент силы относительно начала координат связан с проекциями X и Y силы на оси и с координатами х и у точки ее приложения соотношением M₀=xY-yX.

Аналитическое выражение момента силы.

Пусть дана сила (рис. 32), направление которой составляет с осями координат углы α_F и β_F. Направляющие косинусы этой силы

;

.

Проведем вектор из начала координат в точку приложения силы. Этот вектор называют радиусом-вектором. Если координаты точки приложения силы обозначить через х и у, то, как видно из чертежа,

;

.

Плечо силы h относительно точки О определим из △OAN:

h = r sin δ.

И для определения величины момента силы получаем следующую формулу:

M₀= r Fsin δ. (15)

Угол δ как внутренний угол ΔOAK равен внешнему a_F без другого внутреннего, с ним не смежного—a_r, поэтому

Подставляя сюда, а затем в (15) найденные выше значения тригонометрических величин, получим

M₀= хY — yX 1 . (16)

Определяя момент силы по формуле (16), нет надобности определять его знак, сообразуясь с ходом часовой стрелки, т. к. знак получается непосредственно из формулы в зависимости от знаков χ, y, X, Y. В нашем курсе формуле (16) уделена значительная роль.

Момент силы относительно точки выражается векторным произведением радиуса-вектора точки приложения силы на вектор силы:

Момент силы относительно точки как вектор

Напомним, что векторным произведением на называют вектор направленный перпендикулярно к a и b согласно «правилу буравчика», а по модулю равный произведению модулей a и b на синус угла между направлениями этих векторов.

Следовательно, как видно из (15), величина момента силы равна модулю векторного произведения радиуса-вектора на вектор силы Момент силы относительно точки О как вектор можно представить:

(17)

Вектор не изображен на рис. 32, потому что он направлен перпендикулярно к плоскости, в которой лежат векторы и , т. е. в данном случае перпендикулярно плоскости чертежа. Если же изобразить силу не в плоскости чертежа, а в трехмерном пространстве, то момент силы относительно точки О надо отложить от точки О перпендикулярно к плоскости, составляемой радиусом-вектором и вектором силы. Удобна следующая геометрическая интерпретация (рис. 33). Обозначив буквами А и В начало и конец вектора силы, получим треугольник OAB, площадь которого равна половине произведения основания AB на высоту h = OA sin δ.

Рис. 32

Рис. 33

Сравнивая это равенство с (14), найдем, что момент силы относительно точки О численно равен удвоенной площади треугольника OAB. Напомним, что отрезок AB выражен в единицах силы, а потому площадь треугольника OAB выражается не в единицах площади, а в единицах момента силы (ед. силы × ед. длины):

M₀ = 2 пл. ΔOAB 1

Вектор момента направлен от точки О перпендикулярно к плоскости OAB в такую сторону, с которой вектор силы AB представляется поворачивающим треугольник OAB вокруг точки О против хода часов. По модулю он равен (в некотором выбранном масштабе) удвоенной площади треугольника OAB.

Если вектор силы AB переместить вдоль линии действия силы в пределах абсолютно твердого тела, к которому сила AB приложена, оставив точку О неизменной, то вектор момента не изменится, так как не изменятся плоскость и площадь треугольника OAB. Сила является вектором скользящим, и действие силы, а следовательно, и ее момент не изменяются при перенесении силы вдоль линии действия. Напротив, если мы переменим точку О, то положение и площадь треугольника OAB, вообще говоря, изменятся, а следовательно, изменится и момент силы. Поэтому момент силы относительно какой-либо точки О является вектором прикрепленным, он приложен к точке О и переносить его в какое-либо другое место тела нельзя.
Выражение момента силы относительно точки в виде вектора вполне соответствует физической сущности этого понятия, и если силы расположены в различных плоскостях, то моменты сил относительно точки складывают по правилу параллелограмма. Только при рассмотрении системы сил, расположенных в одной плоскости, можно игнорировать направление вектора момента, а учитывать его величину и знак, т. е. определять момент по формулам (14), (15) или (16). В такой системе, когда все силы и центр моментов расположены в одной плоскости, векторы моментов различных сил относительно какой-либо точки О направлены от точки О перпендикулярно к этой плоскости в ту или другую сторону, и в этом случае их складывают алгебраически.

Момент равнодействующей равен сумме моментов составляющих

Теорема Вариньона

Пусть даны пространственный пучок сил , , . (рис. 34) и равнодействующая этого пучка. Возьмем где-либо совершенно произвольно точку О, проведем радиус вектор из точки О в точку приложения сил пучка, определим момент каждой силы относительно точки О и сложим эти моменты:

Заменяя согласно (1) геометрическую сумму всех сил сходящейся системы их равнодействующей, получим

(18)

Словами это равенство можно прочитать так: момент равнодействующей системы сходящихся сил относительно какой-либо точки равен сумме моментов всех сил относительно той же точки. Момент
силы относительно точки есть вектор, поэтому сумма является геометрической. В частном случае, если все силы и центр моментов лежат в одной плоскости, то все векторы моментов направлены по одной прямой, перпендикулярной к этой плоскости, и геометрическое сложение моментов сил заменяется алгебраическим.

Рис. 35

Таким образом, момент равнодействующей плоской системы сходящихся сил равен алгебраической сумме моментов составляющих. Теорема Вариньона о моменте равнодействующей справедлива не только для пучка сил, ио для всякой системы сил, имеющей равнодействующую. Так, например, момент равнодействующей R двух параллельных сил F₁ и F₂ относительно произвольной точки О (рис. 35) равен:

что и требовалось доказать. Методом от n к n+1 нетрудно показать справедливость теоремы Вариньона для любого числа сил.

Момент силы относительно оси

Чтобы определить момент силы относительно оси, нужно спроецировать силу на плоскость, перпендикулярную к оси, и затем определить момент проекции силы относительно точки пересечения оси и плоскости

Момент силы относительно оси. Ознакомление с понятием момента силы относительно оси, имеющим большое значение, начнем с конкретного примера. Дверь (рис. 36) может поворачиваться вокруг оси. Механическое воздействие силы , поворачивающей дверь, зависит не только от величины, но и от положения вектора силы по отношению к оси. Разложим силу на две составляющие, из которых одну направим параллельно осн, а другую () расположим в плоскости, перпендикулярной к оси. Очевидно, что составляющая, параллельная оси, поворачивать дверь не будет, действие же составляющей, расположенной в плоскости, перпендикулярной к оси, зависит не только от ее величины Р, но и от кратчайшего расстояния между линией действия этой составляющей и осью. Иначе говоря, действие силы на закрепленную на оси дверь характеризуется моментом составляющей (расположенной в плоскости, перпендикулярной к оси) относительно точки пересечения оси и плоскости.

Установим теперь общее правило определения момента силы относительно оси.

Чтобы определить момент силы относительно оси, нужно эту силу спроецировать на перпендикулярную к оси плоскость и определить момент проекции силы относительно точки пересечения оси и плоскости. Момент силы относительно оси — скалярная величина, потому что у него нет собственного направления, а «направлен» он по оси в ту или иную сторону, т. е. определяется величиной и знаком и, конечно, направлением оси.

Где именно проведена перпендикулярная к оси плоскость, не имеет значения, так как проекции силы на параллельные плоскости и плечи проекций силы во всех случаях одни и те же.

Если сила параллельна оси или пересекает ось, то момент силы относительно оси равен нулю. Эти два случая можно объединить в один: момент силы относительно оси равен нулю, если сила и ось лежат в одной плоскости.

Рис. 36

Момент силы относительно оси равен проекции на эту ось момента силы относительно какой-либо точки, взятой на оси

Покажем, что момент силы относительно оси равен проекции на данную ось вектора момента силы относительно какой-либо точки той же оси.

Возьмем на оси zz’ произвольную точку О (рис. 37) и определим момент силы относительно этой точки. Момент силы относительно точки О выражается вектором, по модулю равным удвоенной площади треугольника OAB и приложенным в точке О перпендикулярно к плоскости Δ OAB.

Проведем через точку О плоскость, перпендикулярную к оси. Чтобы определить момент M_z силы относительно оси, спроецируем силу на эту плоскость и определим момент проекции относительно точки пересечения оси и плоскости, т. е. относительно точки О. Этот момент численно равен удвоенной площади треугольника Oab и направлен перпендикулярно к Oab, т. е. по оси zz’.

Но Δ Oab является проекцией Δ OAB на плоскость, перпендикулярную к оси. Площадь проекции равна площади проецируемой фигуры, умноженной на косинус двугранного угла между плоскостями, измеряемого линейным углом между перпендикулярами к этим плоскостям, т. е.

Спроецировав на ось момент силы относительно точки О и принимая во внимание это равенство, найдем, что численно

(19)

При решении задач особенно часто приходится определять моменты сил относительно координатных осей. Согласно только что доказанному момент силы относительно какой-либо из осей координат равен проекции на эту ось момента сил относительно любой точки этой оси, в частности относительно точки О начала координат:

(20)

где cosa_M, cosβ_M и Cosγ_M-направляющие косинусы вектора момента силы относительно начала координат.

Если момент относительно оси умножим на единичный вектор этой оси, то получим не проекцию, а составляющую момента относительно точки, не скалярную, а векторную величину:

(21)

Из равенств (20) и (21) непосредственно получаем

(22)

(22 / )

Аналитические выражения моментов силы относительно осей координат. Выразим моменты силы относительно осей координат через координаты точки приложения силы и проекции силы на координатные оси.

На чертеже (рис. 38) изображены оси координат и составляющие силы, приложенной к точке А (xyz) (сама сила на чертеже не показана). Чтобы определить моменты силы относительно оси Ох, нужно сначала спроецировать силу на плоскость yОz. Проекция равнодействующей равна сумме проекций составляющих, и вместо того, чтобы спроецировать силу , мы можем спроецировать ее составляющие. Проекция составляющей равна нулю, проекции же составляющих и равны этим составляющим.

Теперь нам остается определить алгебраическую сумму моментов этих проекций относительно точки О, которая по теореме Вариньона равна моменту проекции равнодействующей на плоскость yОz, или, что то же, моменту силы относительно оси Ох. Так мы получаем первую из формул (23). Аналогично можно доказать две другие формулы (23), выражающие моменты силы относительно осей Oy и Oz:

(23)

Для вывода формул (23) мы выбрали точку приложения силы в первом октанте (х, у и z положительны) и направили силу от начала координат (X, Y и Z положительны). Если координаты или проекции силы отрицательны, то в формулы (23) надо, конечно, подставить отрицательные значения.

Достаточно запомнить одну из формул (23), а следующую можно получить из предыдущей, применив круговую подстановку, т. е. заменив всюду икс на игрек, игрек на зет и зет на икс. Случаи, когда формулы можно получить одну из другой такой подстановкой, мы будем отмечать символом:

Выражение (23) можно получить непосредственно из свойств векторного произведения, если представить векторное произведение определителем третьего порядка:

(17 / )

Раскладывая этот определитель по элементам первой строки, найдем:

Сравнив это равенство с (22′), получим формулы (23).

Обратим внимание на то, что правая часть третьей из формул (23) тождественна выражению (16) момента силы, лежащей в плоскости хОу, относительно начала координат. Объяснение заключается в том, что при выводе формулы (23) для определения Мz силу сначала спроецировали на плоскость хОу и затем определили момент проекции относительно начала координат. Формула же (16) выражает момент относительно начала координат силы, лежащей в плоскости хОу. Моменты этой силы относительно осей, расположенных с ней в одной плоскости, равны нулю (M_x= 0, M_y= 0), а момент относительно оси O_z численно равен величине момента относительно начала координат (M_z = M₀).

Рис. 34

• Теория пар, не лежащих в одной плоскости
• Произвольная пространственная система сил
• Центр параллельных сил и центр тяжести
• Поступательное движение твердого тела
• Равновесие системы, состоящей из нескольких тел
• Графостатика в теоретической механике
• Расчет ферм
• Пространственная система сходящихся сил

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

Whatsapp и логотип whatsapp являются товарными знаками корпорации WhatsApp 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.

Формула момента силы

Определение и формула момента силы

Векторное произведение радиус – вектора ($bar$), который проведен из точки О (рис.1) в точку к которой приложена сила $bar$ на сам вектор $bar$ называют моментом силы ($bar$) по отношению к точке O:

На рис.1 точка О и вектор силы ( $bar$)и радиус – вектор $bar$ находятся в плоскости рисунка. В таком случае вектор момента силы ($bar$) перпендикулярен плоскости рисунка и имеет направление от нас. Вектор момента силы является аксиальным. Направление вектора момента силы выбирается таким образом, что вращение вокруг точки О в направлении силы и вектор $bar$ создают правовинтовую систему. Направление момента сил и углового ускорения совпадают.

Величина вектора $bar$ равна:

$$M=r F sin alpha=l F$$

где $alpha$ – угол между направлениями радиус – вектора и вектора силы, $l=r sin alpha$– плечо силы относительно точки О.

Момент силы относительно оси

Моментом силы по отношению к оси является физическая величина, равная проекции вектора момента силы относительно точки избранной оси на данную ось. При этом выбор точки значения не имеет.

Главный момент сил

Главным моментом совокупности сил относительно точки О называется вектор $bar$ (момент силы), который равен сумме моментов всех сил, действующих в системе по отношению к той же точке:

При этом точку О называют центром приведения системы сил.

Если имеются два главных моменты ($bar$ и $overline>$)для одной системы сил для разных двух центров приведение сил (О и О’), то они связаны выражением:

где $bar_>$ — радиус-вектор, который проведен из точки О к точке О’, $bar$ – главный вектор системы сил.

В общем случае результат действия на твердое тело произвольной системы сил такое же, как действие на тело главного момента $bar$ системы сил и главного вектора системы сил, который приложен в центре приведения (точка О).

Основной закон динамики вращательного движения

где $bar$ – момент импульса тела находящегося во вращении.

Для твердого тела этот закон можно представить как:

где I – момент инерции тела, $bar<varepsilon>$ – угловое ускорение.

Единицы измерения момента силы

Основной единицей измерения момента силы в системе СИ является: [M]=Н•м

Примеры решения задач

Задание. На рис.1 показано тело, которое имеет ось вращения OO’. Момент силы, приложенный к телу относительно заданной оси, будет равен нулю? Ось и вектор силы расположены в плоскости рисунка.

Решение. За основу решения задачи примем формулу, определяющую момент силы:

В векторном произведении (видно из рисунка) $bar neq 0, bar neq 0$ . Угол между вектором силы и радиус – вектором также будет отличен от нуля (или $180^<circ>$), следовательно, векторное произведение (1.1) нулю не равно. Значит, момент силы отличен от нуля.

Ответ. $bar neq 0$

Задание. Угловая скорость вращающегося твердого тела изменяется в соответствии с графиком, который представлен на рис.2. В какой из указанных на графике точек момент сил, приложенных к телу равен нулю?

Решение. Момент сил, приложенных к вращающемуся твердому телу можно найти при помощи основного закона вращательного движения:

где $varepsilon$ угловое ускорение вращения тела.его в свою очередь можно выразить через угловую скорость вращения тела как:

Перепишем (2.1), используя (2.2), имеем:

Так как $I neq 0$ (момент инерции не равен нулю), то для выполнения условия M=0 должна быть равна нулю производная от угловой скорости по времени. Производная равна нулю в экстремуме. На рис. экстремумом является точка 3.

Глава 10. Вращаем объекты: момент силы

• Переходим от поступательного движения к вращательному движению
• Вычисляем тангенциальную скорость и тангенциальное ускорение
• Выясняем связь между угловым ускорением и угловой скоростью
• Разбираемся с моментом силы
• Поддерживаем вращательное движение

Эта и следующая главы посвящены вращательному движению объектов самой разной природы: от космических станций до пращи. Именно такое движение стало причиной того, что наша планета имеет круглую форму. Если вам известны основные свойства прямолинейного движения и законы Ньютона (они подробно описываются в двух первых частях этой книги), то вы сможете быстро овладеть основами вращательного движения. Даже если вы позабыли некоторые сведения из прежних глав, не беда, ведь к ним всегда можно вернуться в случае необходимости. В этой главе представлены основные понятия вращательного движения: угловая скорость угловое ускорение, тангенциальное ускорение, момент силы и т.п. Однако довольно слов, приступим к делу!

Переходим от прямолинейного движения к вращательному

Для такого перехода нужно изменить уравнения, которые использовались ранее для описания прямолинейного движения. В главе 7 уже упоминались некоторые эквиваленты (или аналоги) из мира прямолинейного и вращательного движения.

Вот как выглядят основные формулы прямолинейного движения, которые подробно описываются в главе 3:

• ​ ( v=Delta/Delta ) ​, где ​ ( v ) ​ — это скорость, ​ ( Delta ) ​ — перемещение, a ( Delta ) — время перемещения;
• ( a=Delta/Delta ) , где ( a ) — это ускорение, ( Delta ) — изменение скорости, a ( Delta ) — время изменения скорости;
• ​ ( Delta=v_0(t_1-t_0)+<>^1!/!_2a(t_1-t_0)^2 ) ​, где ​ ( v_0 ) ​ — это начальная скорость, ​ ( t_0 ) ​ — это начальный момент времени, a ​ ( t_1 ) ​ — это конечный момент времени;
• ​ ( v^2_1-v^2_0=2aDelta ) ​, где ​ ( v_1 ) ​ — это конечная скорость.