Уравнение равновесия тела в общем случае

Уравнения равновесия тела.

Будем считать, что если взаимное положение тел и их положение относительно выбранной неподвижной системы координат остаётся неизменным, то тело или система тел находятся в равновесии. В п.4 предыдущего параграфа сказано, что произвольная система сил может быть приведена к двум непересекающимся силам. Пусть ≠0, ≠0, но при этом тело находится в равновесии. Но согласно 2-ой аксиоме статики (Свободное абсолютно твердое тело под действием двух сил будет находиться в равновесии только в том случае, когда эти силы равны, по величине и направлены вдоль одной и той же прямой в противоположные стороны), необходимо чтобы эти две силы и ( рис. 10) в сумме давали ноль. Отсюда сразу следует, что главный вектор сил равен нулю, и как следствие нулю должен быть равен и главный момент системы сил. Это необходимое условие равновесия, достаточность этого утверждения будет доказана позже. Итак, необходимым и достаточным условием равновесия тела или системы тел является равенство нулю главного вектора и главного момента системы сил.

=0 =0 (1.6)

Два векторных условия (1.6) могут быть в общем случае при­ведены к шести алгебраическим уравнениям; для этого надо спроек­тировать левые части этих уравнений на три оси координат, произ­вольно выбранные в пространстве. Тогда при принятых обозначениях будем иметь следующие шесть уравнений:

(1.7)

которые выражают следующее положение: при равновесии твер­дого тела под действием пространственной системы сил суммы проекций приложенных сил на оси координат и суммы моментов приложенных сил относительно осей координат равны нулю. При изучении условий равновесия данного тела оно рассматривается как свободное, для чего оно мысленно выделяется из общей цепи взаимодействующих тел. Действие других тел заменяется реакциями связей, поэтому в уравнения равновесия входят как задаваемые (активные) силы так и реакции связей. В отдельных частных случаях некоторые из этих шести урав­нений могут выполняться тождественно; при этом число уравнений равновесия уменьшается. Отметим важнейшие из этих частных случаев.

1. Сходящаяся система сил. Выбирая точку, в которой сходятся линии действия сил, за центр моментов, заметим, что уравнения моментов тождественно обратятся в нуль, так как линии действия сил пересекут оси координат, число уравнений равновесия сокращается до трех уравнений проекций на оси координат.

2. Плоская система сил. Расположим ось OZ перпендику­лярно к плоскости действия сил. Тогда три уравнения тождественно обратятся в ноль (см. п.1 предыдущего параграфа) и станутся три уравнения

(1.8)

Условия и уравнения равновесия твердого тела: плоской и пространственной системы сил

Условия равновесия произвольной системы сил

Еще Ньютон говорил, что если геометрическая сумма сил, действующая на тело, равна нулю, то тело:

• либо находится в состоянии покоя;
• либо движется равномерно прямолинейно.

Из теоретической механики известно, что действие нескольких сил, просуммировав, можно заменить равнодействующей силой:

Тогда обязательное условие равновесия можно записать так:

Однако для полного равновесия, часто, этого условия недостаточно, если тело имеет возможность вращаться относительно какой-то точки или оси, то для равновесия такой системы, необходимо, чтобы выполнялось условие:

где M — главные момент системы, который эквивалентен сумме моментов системы относительно некоторого центра.

Условия равновесия плоской системы сил

Выше описанные условия означают, что система будет находится в равновесии, когда все силы, действующие на систему, будут взаимно уравновешиваться и момент относительно любой произвольной точки будет равен нулю, отсюда вытекает первая и основная форма условий равновесия для плоской системы сил:

Вторая форма условий равновесия записывается следующим образом:

Важно! Ось не должна быть перпендикулярна прямой AB.

И, наконец, третья форма условий равновесия выглядит так:

Из данной системы уравнений следует, что для равновесия системы достаточно равенства нулю суммы моментов относительно трех точек.

Важно! Точки, относительно которых записываются уравнения не должны лежать на одной прямой.

Уравнения равновесия для плоской системы сил

Рассмотрим на примере плоской балки, как записываются уравнения равновесия. Использовать будет классическую (первую) форму условия равновесия:

Сумма моментов относительно точки A:

Сумма проекций всех сил на вертикальную ось (y):

Сумма проекций всех сил на горизонтальную ось(x):

Условие равновесия пространственной системы сил

Для пространственной системы сил условие равновесие выглядит вот так:

Таким образом, пространственная система будет находиться в равновесии, если суммы проекций сил на координатные оси, а также суммы моментов относительно осей будут равны нулю.

Уравнения равновесия для пространственной системы сил

В качестве примера рассмотрим пространственную раму, закруженную сосредоточенными силами. Составим для нее шесть уравнений равновесия:

iSopromat.ru

Уравнения равновесия (статики) характеризуют неподвижность заданной системы нагруженной комплексом внешних усилий.

При решении задач теоретической механики и сопротивления материалов (например, при определении опорных реакций или внутренних силовых факторов) исходя из условия неподвижности системы или ее частей, записываются уравнения равенства нулю сумм проекций всех сил на оси выбранной системы координат

что следует из условия отсутствия перемещения системы вдоль этих осей, и сумм моментов относительно произвольных точек системы

из условия отсутствия ее вращения относительно указанных осей.

Надо отметить что в случае действия плоской системы сил можно получить только три уравнения статики, а линейная схема нагружения позволяет записать лишь одно уравнение.

Пример составления уравнений равновесия

В качестве примера, рассмотрим общий случай пространственного нагружения, где комплекс усилий, включающий сосредоточенные силы F₁-F₆, равномерно распределенную нагрузку q, и момент m расположенный в плоскости перпендикулярной длинному стержню, удерживает L-образную систему в равновесии.

Обозначим характерные точки системы буквами A, B, C и D, зададим положение трехмерной системы координат xyz и запишем уравнения равновесия.

Суммы проекций сил

Сумма проекций всех сил на ось x (с учетом правила знаков для сил):

здесь при записи силы от распределенной нагрузки ее интенсивность q умножается на ее длину AB.

Суммы моментов

Суммы моментов всех нагрузок, например, относительно точки B (с учетом правила знаков для моментов):

• в плоскости xOy:
  
• в плоскости xOz:
  
• в плоскости yOz:
  

Из полученных шести уравнений можно определить не более шести неизвестных усилий.

Уважаемые студенты!
На нашем сайте можно получить помощь по техническим и другим предметам:
✔ Решение задач и контрольных
✔ Выполнение учебных работ
✔ Помощь на экзаменах