Что определяет первая аксиома статики

Техническая механика. Шпаргалка

Настоящее издание поможет систематизировать полученные ранее знания, а также подготовиться к экзамену или зачету и успешно их сдать.

Оглавление

Приведённый ознакомительный фрагмент книги Техническая механика. Шпаргалка предоставлен нашим книжным партнёром — компанией ЛитРес.

1. Аксиомы и понятие силы статики

Теоретическая механика — это наука о механическом движении твердых материальных тел и их взаимодействии. Механическое движение понимается как перемещение тел в пространстве и во времени по отношению к другим телам, в частности, к Земле.

Статика изучает условия равновесия тел под действием сил.

Кинематика рассматривает движение тел как перемещение в пространстве; характеристики тел и причины, вызывающие движение, не рассматриваются.

Динамика изучает движение тел под действием сил.

Сила — это мера механического взаимодействия материальных тел между собой. Взаимодействие характеризуется величиной и направлением, т. е. сила — это величина векторная, характеризующаяся точкой приложения, направлением (линией действия), величиной (модулем).

Силы, действующие на тело (или систему сил), делят на внешние и внутренние. Внешние силы бывают активные и реактивные. Активные силы вызывают перемещение тела, реактивные стремятся противодействовать перемещению тела под действием внешних сил.

Системой сил называют совокупность сил, действующих на тело.

Эквивалентная система сил — система сил, действующая так же, как заданная.

Уравновешенной (эквивалентной нулю) системой сил называется такая система, которая, будучи приложенной к телу, не изменяет его состояния.

Систему сил, действующих на тело, можно заменить одной равнодействующей, действующей так, как система сил.

Все теоремы и уравнения статики выводятся из нескольких исходных положений, называемых аксиомами.

Первая аксиома. Под действием уравновешивающей системы сил абсолютно твердое тело или материальная точка находятся в равновесии или движутся равномерно и прямолинейно (закон инерции).

Вторая аксиома. Две силы, равные по модулю и направленные по одной прямой в разные стороны, уравновешиваются.

Третья аксиома. Не нарушая механического состояния тела, можно добавить или убрать уравновешивающую систему сил (принцип отбрасывания системы сил, эквивалентной нулю).

Четвертая аксиома (правило параллелограмма сил). Равнодействующая двух сил, приложенных к одной точке, приложена к той же точке и является диагональю параллелограмма, построенного на этих силах как на сторонах.

Пятая аксиома. При взаимодействии тел всякому действию соответствует равное и противоположно направленное противодействие.

Следствие из второй и третьей аксиом. Силу, действующую на твердое тело, можно перемещать вдоль линии ее действия.

Источник

iSopromat.ru

Аксиомы статики обобщают многовековой опыт наблюдения физических явлений.

Некоторые из приведенных здесь аксиом представляют собой общие законы классической механики Галилея и Ньютона.

1. Аксиома инерции

Под действием уравновешенной системы сил материальная точка (тело) находится в состоянии покоя или движется равномерно и прямолинейно.

2. Аксиома равновесия двух сил

Абсолютно твердое тело находится в равновесии под действием двух сил тогда и только тогда, когда эти силы равны по модулю, действуют по одной прямой и направлены в противоположные стороны.

3. Аксиома присоединения и исключения уравновешивающихся сил

Не нарушая состояния абсолютно твердого тела, к нему можно прикладывать или отбрасывать от него уравновешенную систему сил.

4. Аксиома параллелограмма сил

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

5. Аксиома равенства действия и противодействия

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

6. Аксиома о сохранении равновесия сил, приложенных к деформируемому телу

Равновесие деформируемого тела не нарушится, если это тело отвердеет.

Помимо теоретической механики, перечисленные аксиомы статики широко применяются в курсах сопротивления материалов и строительной механики.

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

Источник

Аксиомы статики

Аксиомы статики – это законы, установленные непосредственными наблюдениями и опытной проверкой следствий, логически вытекающих из аксиом.

Аксиома 1.Система двух сил, действующих на свободное твердое тело, является уравновешенной тогда и только тогда, когда эти силы равны по модулю и действуют вдоль одной прямой в противоположные стороны.

На рис. 1.2 показаны две уравновешенные системы сил:

0;

Аксиома 1 дает необходимые и достаточные условия уравновешенности системы двух сил, две следующие аксиомы устанавливают простейшие операции, приводящие к эквивалентным системам сил.

Аксиома 2. Если к данной системе сил добавить или отнять от нее уравновешенную систему сил, то полученная система сил будет эквивалентна исходной.

Из этой аксиомы вытекает следствие: «Действие силы на твердое тело не изменится, если перенести точку приложения силы вдоль линии ее действия».

Для доказательства следствия рассмотрим силу , приложенную в точке A (рис. 1.3,а). В точке B на линии действия силы приложим уравновешенную систему сил , где . Тогда в соответствии с аксиомой 2 получим

(рис. 1.3,б). Согласно аксиоме 1 система сил

0, а согласно аксиоме 2 их можно отбросить (рис. 1.3,в), т.е.

, что и доказывает следствие.

Таким образом, сила, приложенная к абсолютно твердому телу, является скользящим вектором.

Аксиома 3(аксиома параллелограмма сил). Система двух сил, приложенных к телу в одной точке, имеет равнодействующую, приложенную в той же точке и равную геометрической сумме сил.

Эта аксиома не только устанавливает существование равнодействующей рассматриваемой системы сил

(рис. 1.4), но и дает правило ее определения: . Модуль равнодействующей

.

Аксиома 4(3-й закон Ньютона). Силы взаимодействия двух тел равны по модулю и направлены по одной прямой в противоположные стороны.

Силы взаимодействия двух тел удовлетворяют всем условиям аксиомы 1, кроме одного – они приложены к разным телам (рис. 1.5), и поэтому не образуют уравновешенную систему сил.

Аксиома 5(принцип отвердевания). Равновесие изменяемого (деформируемого) тела не нарушится, если тело станет абсолютно твердым.

Другими словами, при равновесии деформируемого тела силы, действующие на него, удовлетворяют тем же условиям, что и для абсолютно твердого тела, но эти условия для деформируемого тела будут только необходимыми, не являясь достаточными.

Рассмотрим в качестве примера деформируемого тела нить, которая находится в равновесии под действием двух сил и , приложенных к ее концам, как показано на рис. 1.6,а. В соответствии с аксиомой 1 эти силы должны действовать вдоль одной прямой (вдоль нити) в противоположные стороны и иметь одинаковые модули. Для того, чтобы эти условия стали достаточными, к ним следует добавить еще одно: силы, действующие на нить, должны быть растягивающими. При тех же условиях абсолютно твердое тело – стержень (рис. 1.6,б) будет находиться в равновесии под действием как растягивающих, так и сжимающих сил.

1.3. Связи и их реакции

Твердое тело, на перемещения которого наложены ограничения, называют несвободным. Тела, ограничивающие перемещения данного тела, называют связями. Силы, с которыми связи действуют на данное тело, называют реакциями связей. Силы, не зависящие от связей, называют активными (например, силы тяжести).

Реакции связей определяются действующими активными силами. Направление реакции связи всегда противоположно тому направлению, в котором связь не позволяет перемещаться определенной точке тела. Несмотря на то, что большинство окружающих нас тел являются несвободными, их можно считать свободными, если воспользоватьсяпринципом освобождаемости от связей: «Всякое несвободное тело можно рассматривать как свободное, если отбросить связи и заменить их действие на тело силами – реакциями связей».

Рассмотрим наиболее типичные идеализированные связи и укажем возможные направления их реакций.

Гладкая поверхность. Поверхность называется гладкой, если можно пренебречь силой трения, возникающей в точке контакта этой поверхности и данного тела. Эта точка не может перемещаться вдоль общей нормали к соприкасающимся поверхностям, потому в указанном направлении действует реакция гладкой поверхности (рис. 1.7,а). Если нормаль к одной из соприкасающихся поверхностей в точке контакта не определена, то реакция направлена по нормали к другой поверхности (рис. 1.7,б).

Идеальная нить. Это невесомая, нерастяжимая, идеально гибкая нить, не оказывающая сопротивления при изгибе. Точка соединения тела и нити не может перемещаться вдоль нее, поэтому реакция натянутой нити направлена вдоль нити к точке подвеса, как показано на рис. 1.8.

Неподвижный цилиндрический шарнир. Шарнир позволяет телу вращаться вокруг неподвижной оси и скользить вдоль нее (рис. 1.9, ось шарнира перпендикулярна плоскости рисунка). Реакция шарнира лежит в плоскости, перпендикулярной его оси, ее направление заранее указать нельзя. Поэтому реакцию обычно представляют двумя составляющими: и .

Подвижный цилиндрический шарнир. Шарнир препятствует перемещению закрепленной точки вдоль нормали к опорной поверхности, что и объясняет направление реакции шарнира (рис. 1.10).

Сферический шарнир и подпятник. Реакции шарнира и подпятника могут иметь произвольные направления в пространстве, и поэтому представлены тремя составляющими: , , (рис. 1.11).

Идеальный стержень. Это тонкий, невесомый, недеформируемый стержень, имеющий на концах шарниры. Реакция стержня направлена вдоль прямой, соединяющей его концы, так как именно в этом направлении он не позволяет перемещаться закрепленной точке (рис. 1.12).

Источник

Теоретическая механика

2. Аксиомы статики

В основе учения о равновесии абсолютно твердых тел лежат некоторые эмпирические положения, которые называются постулатами или аксиомами. Эти аксиомы выражают те основные факты, которые дают нам опыт и наблюдения при изучении действия сил на абсолютно твердое тело.

Свободное абсолютно твердое тело (АТТ) под действием двух сил находится в равновесии тогда и только тогда, когда эти силы имеют общую линию действия, равны по модулю и направлены противоположно.

Данная аксиома по сути состоит из двух частей.

Первая часть. Если свободное абсолютно твердое тело (АТТ) под действием двух сил находится в равновесии, то эти силы имеют общую линию действия, равны по модулю и направлены противоположно.

Вторая часть. Если на абсолютно твердое тело (АТТ) действуют две равные по модулю, противоположно направленные и имеющие общую линию действия силы, то данное тело находится в состоянии равновесия.

Не изменяя действия данной системы сил на АТТ, можно прибавить к этой системе или отнять от нее две уравновешенные силы, то есть две силы, равные по модулю и направленные вдоль общей прямой в разные стороны.

Следствие к аксиоме №2.

Сила является скользящим вектором. Иначе говоря, не изменяя действия данной силы на АТТ, точку приложения этой силы можно переносить вдоль ее линии действия.

Доказательство. Доказательство проведем в несколько этапов.

Что и требовалось доказать.

Все три силы находятся в одной плоскости. Величину равнодействующей можно найти графически как длину диагонали параллелограмма или вычислить по теореме косинусов:

Данная аксиома допускает и обратное утверждение: силу можно разложить бесчисленным множеством способов на две силы.

При всяком действии одного материального тела на другое имеет место такое же по величине, противоположное по направлению и действующее по одной прямой противодействие.

Эту аксиому в динамике называют третьим законом Ньютона о равенстве действия и противодействия.

Аксиома №5. (Аксиома об освобождении от связей)

Любое несвободное тело можно освободить, заменяя связи силами реакции связей.

Аксиома №6. (Принцип отверждения).

Если деформируемое твердое тело (не абсолютно твердое тело) под действием некоторой системы сил находится в состоянии равновесия, то равновесие не нарушится, если тело считать абсолютно твердым.

Невесомый стержень находится под действием сил и как показано на рис.С.4

Перенесем силы вдоль линий действия в точку их пересечения.

Сложим эти силы как показано на рисунке С.5.

Тогда вектор показывает направление уравновешивающей силы, а точка определяет положение точки приложения уравновешивающей силы.

Источник

Аксиомы статики

Условие применения аксиом

Аксиомы статики – это основные законы и правила, которые применяют при преобразовании систем сил в эквивалентные системы. Такие преобразования не меняют уравнений движения абсолютно твердых тел. Поэтому они позволяют перейти от исходной системы сил к более простой, под действием которой механическая система будет совершать такое же движение, как и при действии на нее исходной системы. Аксиомы статики применяются не только при рассмотрении неподвижных состояний тел, но и во многих других задачах теоретической механики, связанными с силовыми воздействиями. Условием их применения является условие отсутствия деформаций в телах, или малость деформаций по сравнению с размерами механической системы. При таком приближении все тела рассматриваются как абсолютно твердые. В тех задачах, в которых тела нельзя считать абсолютно твердыми, например, при рассмотрении деформаций, аксиомы статики применять нельзя.

С точки зрения логики изложения материала, было бы естественным сначала изучить основы динамики материальных тел, а уже затем изучать статику в качестве одного из ее подразделов – как частный случай движения с нулевой скоростью. Однако, в силу особой важности и большого числа задач, в которых применяются законы статики, ее часто изучают в самом начале как особую дисциплину. При этом основные правила статики излагают в виде аксиом – то есть положений, принятых без доказательств. Часть аксиом действительно являются фундаментальными законами механики, установленными в результате обобщения экспериментальных данных (аксиомы 1 и 5). Остальные являются следствиями уравнений движения твердых тел.

Аксиомы статики

1. Аксиома инерции (закон инерции Галилея)
Существуют такие системы отсчета, в которых любая материальная точка, не взаимодействующая с другими телами и точками, движется прямолинейно и равномерно. В частности, если тело покоилось в определенный момент времени, то оно будет покоиться и в последующие моменты.

Такие системы отсчета называются инерциальными. В механике, если это особо не оговорено, под системой отсчета подразумевается именно инерциальная система отсчета.

2. Аксиома равновесия двух сил
Две силы, приложенные к абсолютно твердому телу, являются уравновешенными тогда и только тогда, когда они равны по модулю, направлены в противоположные стороны и их линии действия совпадают.

3. Аксиома присоединения и исключения уравновешивающихся сил
Кинематическое состояние твердого тела не изменится, если к действующей на него системе сил прибавить или отнять уравновешенную систему сил.

То есть, прибавляя или исключая уравновешенную систему сил, мы получаем эквивалентную систему сил.

Следствие аксиом 2 и 3
Действие силы на твердое тело не изменится, если точку приложения силы перенести вдоль ее линии действия. То есть сила, приложенная к твердому телу, является скользящим вектором. Доказательство ⇓

4. Аксиома параллелограмма сил
Две силы, приложенные к телу в одной точке, можно заменить их равнодействующей силой, равной векторной сумме этих сил и приложенной к той же точке.
Верно и обратное. Любую силу можно разложить на две (и более) силы по правилу векторной суммы (по правилу параллелограмма), приложенных в той же точке, что и исходная сила.

Если две взаимодействующие точки принадлежат одному твердому телу, то их силы взаимодействия друг с другом образуют уравновешенную систему сил и, согласно аксиоме 3, могут быть исключены из рассмотрения. Однако, если эти точки принадлежат разным телам, то они не образуют уравновешенной системы. Поэтому исключать такое взаимодействие нельзя.

6. Принцип отвердевания
Если деформируемое тело находится в равновесии, то его равновесие не нарушится, если тело считать абсолютно твердым.

Принцип отвердевания указывает, что если конструкция, состоящая из подвижных частей, находится в равновесии (то есть скорости всех ее точек относительно некоторой инерциальной системы отсчета равны нулю), то уравнения равновесия можно применять ко всей конструкции в целом, считая ее единым твердым телом. Этот принцип является следствием предыдущих аксиом.

Применение аксиом к решению задач

Наиболее эффективные способы решения задач статики основаны на применении уравнений равновесия. Однако, такие задачи можно решать, применяя только аксиомы. В некоторых случаях это даже является преимуществом, поскольку такое решение является графическим. Далее мы приводим правила, основанные на аксиомах статики, применяемые при решении задач графическим способом.

При графическом решении задач статики, исходную систему сил заменяют эквивалентной, применяя следующие действия.

Далее мы рассмотрим пример решения задачи с помощью аксиом статики.

Задача

1.4. Раскладываем каждую из сил и на две составляющие – горизонтальную и вертикальную:
;
.

Выполняя решение графическим способом, мы получили небольшую погрешность. Но нашей целью было наглядно продемонстрировать применение аксиом статики к решению задач.

Доказательство следствия аксиом 2 и 3

Докажем, что из аксиом 2 ⇑ и 3 ⇑ следует, что точку приложения силы можно перемещать вдоль линии ее действия.

Использованная литература:
А. А. Яблонский, В.М. Никифорова. Курс теоретической механики, часть 1, статика, кинематика. Москва, «Высшая школа», 1966.
Г. Н. Яковенко. Краткий курс теоретической механики. Москва, 2005.

Источник