Основы равновесия тел

Мы уже знаем, что законы Ньютона позволяют узнать, какие ускорения получают тела под действием приложенных к ним сил. Но очень часто бывает важно знать, при каких условиях тела, на которые могут действовать различные силы, не получают ускорений. О таких телах говорят, что они находятся в состоянии равновесия. В таком состоянии, в частности, находятся покоящиеся тела. Знать условия, при которых тела находятся в покое, очень важно для практики, например при постройке зданий, мостов, всевозможных опор, подвесов, при изготовлении машин, приборов и т. д. Для Вас этот вопрос, также не менее важен! Но основами равновесия в спорте более подробно занимается такая наука, как биомеханика, изучением которой вы займетесь на третьем курсе.

А механика занимается более общими вопросами. Та часть механики, в которой изучается равновесие твердых тел, называется статикой. Известно, что всякое тело может двигаться поступательно и, кроме того, вращаться или поворачиваться вокруг какой-нибудь оси. Чтобы тело находилось в покое, оно не должно ни двигаться поступательно, ни вращаться или поворачиваться вокруг какой-нибудь оси. Рассмотрим условия равновесия тел для этих двух видов возможного движения по отдельности. А выяснить, какие именно условия обеспечивают равновесие тел, помогут нам законы Ньютона.

Равновесие тел при отсутствии вращения. При поступательном движении тела можно рассматривать движение только одной точки телаего центра масс. При этом мы должны считать, что в центре масс сосредоточена вся масса тела и к нему приложена равнодействующая всех сил, действующих на тело. (Сила, которая одна может сообщить телу такое же ускорение, как и все одновременно действующие на него силы, вместе взятые, называется равнодействующей этих сил).

Из второго закона Ньютона следует, что ускорение этой точки равно нулю, если геометрическая сумма всех приложенных к ней силравнодействующая этих сил — равна нулю. Это и есть условие равновесия тела при отсутствии его вращения.

Чтобы тело, которое может двигаться поступательно (без вращения), находилось в равновесии, необходимо, чтобы геометрическая сумма сил, приложенных к телу, была равна нулю. Но если геометрическая сумма сил равна нулю, то и сумма проекций векторов этих сил на любую ось тоже равна нулю. Поэтому условие равновесия тела можно сформулировать и так: чтобы невращающееся тело находилось в равновесии, необходимо, чтобы сумма приложенных к телу сил на любую ось была равна нулю.

В равновесии, например, находится тело, к которому приложены две равные силы, действующие вдоль одной прямой, но направленные в противоположные стороны.

Состояние равновесия — это не обязательно состояние покоя. Из второго закона Ньютона следует, что, когда равнодействующая сил, приложенных к телу, равна нулю, тело может двигаться прямолинейно и равномерно. При таком движении тело тоже находится в состоянии равновесия.

Например, парашютист, после того как он начал падать с постоянной скоростью, находится в состоянии равновесия. Силы приложены к телу не в одной точке. Но важна не точка приложения силы, а прямая вдоль которой она действует. Перенос точки приложения силы вдоль линии ее действия ничего не изменяет ни в движении тела, ни в состоянии равновесия. Ясно, например, что ничего не изменится, если вместо того чтобы тянуть вагонетку, ее станут толкать. Если равнодействующая сил, приложенных к телу, не равна нулю, то, для того чтобы тело находилось в состоянии равновесия, к нему должна быть приложена добавочная сила, равная по модулю равнодействующей, но противоположная ей по направлению.

Эта сила называется уравновешивающей.

Равновесие тел с закрепленной осью вращения. Момент силы. Правило моментов. Правило рычага. Пара сил.

Итак, условия равновесия тела при отсутствии вращения выяснены. Но как обеспечивается отсутствие вращения тела. Чтобы ответить на этот вопрос, рассмотрим тело, которое не может совершать поступательного движения, но может поворачиваться или вращаться. Чтобы сделать невозможным поступательное движение тела, его достаточно закрепить в одной точке так, как можно, например, закрепить доску на стене, прибив её одним гвоздем; поступательное движение такой доски становится невозможным, но доска может поворачиваться вокруг гвоздя, который служит ей осью вращения.

Теперь выясним, какие силы не могут и какие могут вызвать поворот (вращение) тела с закрепленной осью вращения. Рассмотрим, некоторое тело, которое может поворачиваться, вокруг оси, перпендикулярной плоскости чертежа. Из этого рисунка видно, что силы F₁, F₂ и F₃ не вызовут поворота тела. Линии их действия проходят через ось вращения. Любая такая сила будет уравновешена силой реакции закрепленной оси. Поворот (или вращение) могут вызвать лишь такие силы, линии, действия которых не проходят через ось вращения. Сила F₁, например, приложенная к телу так, как показано на рисунке 3, заставит тело повернуться по часовой стрелке, сила F₂ вызовет поворот тела против часовой стрелки.

Чтобы сделать поворот иди вращение невозможным, нужно, очевидно, приложить к телу по крайней мере две силы: одну, вызывающую поворот по часовой стрелке, другую — против часовой стрелки. Но эти две силы могут быть и неравны друг другу (по модулю). Например, сила F₂ (см. рис.4) вызывает поворот тела против часовой стрелки.

Как показывает опыт, ее можно уравновесить силой F₁, вызывающей поворот тела по часовой стрелке, но по модулю меньшей чем сила F₂. Значит, у этих двух неодинаковых по модулю сил одинаковое, так сказать «вращающее действие». Что же у них общего, что для них одинаково? Опыт показывает, что в этом случае одинаково произведение модуля силы на расстояние от оси вращения до линии действия силы (слово «расстояние» здесь означает длину перпендикуляра, опущенного из центра вращения на направление действия силы). Это расстояние называется плечом силы. Плечо силы F₁ — это d₁, плечо силы f₂ — это d₂.

F₁d₁ = F₂d₂ ;

M = |f| d.

Итак, «вращающее действие» силы характеризуется произведением модуля силы на её плечо. Величина, равная произведению модуля силы F на её плечо d, называется моментом силы относительно оси вращения. Слова «относительно оси» в определении момента необходимы потому что, если, не изменяя ни модуля силы, ни её направления, перенести ось вращения, из точки О в другую точку, то изменится плечо силы, а значит и момент силы. Момент силы характеризует вращательное действие этой силы и во вращательном движении играет ту же роль, что и сила в поступательном движении.

Момент силы зависит от двух величин: от модуля самой силы и от ее плеча. Один и тот же момент силы может быть создан малой силой, плечо которой велико, и большой силой с малым плечом. Если, например, пытаться закрыть дверь, толкая ее поблизости от петель, то этому с успехом сможет противодействовать ребёнок, который догадается толкать ее в другую сторону, приложив силу поближе к краю, и дверь останется в покое. Для новой величины — момента силы — нужно найти единицу. За единицу момента силы в СИ принят момент силы в 1Н, линия действия которой отстоит от оси вращения на 1 м. Эту единицу называют ньютон-метром (Н м).

Моментам сил, вращающих тело по часовой стрелке, принято приписывать положительный знак, а против часовой стрелкиотрицательный.

Тогда моменты сил F₁ и F₂ относительно оси О имеют противоположные знаки и их алгебраическая сумма равна нулю. Таким образом, мы можем написать условие равновесия тела с закрепленной осью:

F₁d₁=F₂d₂ или — F₁d₁+F₂d₂=0, М₁+М₂=0.

Следовательно, тело имеющее неподвижную ось вращения, находится в равновесии, если алгебраическая сумма моментов всех действующих на тело сил относительно данной оси равна нулю, т. е. если сумма моментов сил, действующих на тело по часовой стрелке, равна сумме моментов сил действующих на тело против часовой стрелки.

Это условие равновесия тел с неподвижной осью вращения называют правилом моментов.

Рычаги. Правило рычага Нетрудно понять, что из правила моментов следует знаменитое правило рычага.

Рычагом называют имеющее неподвижную ось вращения твердое тело, на которое действуют силы, стремящиеся повернуть его вокруг этой оси. Различают рычаги первого и второго года. Рычагом первого рода называют такой рычаг, ось вращения которого расположена между точками приложения сил, а сами силы направлены в одну и ту же сторону. Примерами рычагов первого рода могут служить коромысло равноплечих весов, железнодорожный шлагбаум, колодезный журавль, ножницы и т. д.

Рычагом второго рода называют такой рычаг, ось вращения которого расположена по одну сторону от точек приложения сил, а сами силы направлены противоположно друг другу. Примерами рычагов второго рода являются гаечные ключи, различные педали, щипцы для раскалывания орехов, двери и т. д. Согласно правилу моментов, рычаг (любого рода), урав-новешен только тогда, когда М₁=М₂. Поскольку М₁=F₁ d₁ и М₂=F₂ d₂, получаем F₁d₁=F₂d₂. Из последней.

формулы следует, что F₁/F₂=d₁/d₂. Рычаг находится в равновесии, когда действующие на него силы обратно пропорциональны их плечам. Но это не что иное, как другое выражение правила моментов: F₁/F₂=d₁/d₂. Из последней формулы видно, что c помощью рычага можно получить выигрыш силе тем больший, чем больше соотношение плеч. Это широко используют на практике.

Пара сил. Две равные по модулю антипараллельные силы, приложенные к телу в разных точках, называют парой сил. Примерами пары сил могут служить силы, которые приложены к рулевому колесу автомобиля, электрические силы, действующие на диполь магнитные силы, действующие на магнитную стрелку и т. д.

Пара сил не имеет равнодействующей, т. е. совместное действие этих сил нельзя заменить действием одной силы. Поэтому пара сил не может вызвать поступательное движение тела, а вызывает только его вращение. Если при повороте тела под действием пары сил направления этих сил не изменяются, то поворот тела происходит до тех пор, пока обе силы не окажутся действующими противоположно друг другу вдоль прямой, проходящей через ось вращения тела.

Пусть на тело, имеющее закрепленную ось вращения О, действует пара сил f и f. Моменты этих сил M₁=|f|d₁<0 и M₂=|f| d₂<0. Сумма моментов M₁+M₂=|f|(d₁+d₂)= =|f|d0, следовательно, тело не находится в равновесии. Кратчайшее расстояние d=d₁+d₂ между параллельными прямыми, вдоль которых действуют силы, образующие пару сил, называют плечом пары сил; M=|f|dэто момент пары сил. Следовательно, момент пары сил равен произведению модуля одной из сил этой пары на плечо пары независимо от положения оси вращения тела при условии, что эта ось перпендикулярна плоскости, в которой находится пара сил.

Если пара сил действует на тело, не имеющее закрепленную ось вращения, она вызывает вращение этого тела вокруг оси, отходящей через центр масс данного тела.

Виды равновесия тел.

Если тело находится в равновесии, то это значит, что сумма приложенных к нему сил равна нулю и сумма моментов этих сил относительно оси вращения также равна нулю. Но возникает вопрос: а устойчиво ли равновесие? (F = 0, M = 0).

С первого взгляда видно, например, что положение равновесия шарика на вершине выпуклой подставки неустойчиво: малейшее отклонение шарика от его равновесного положения приведёт к тому, что он скатится вниз. Поместим тот же шарик на вогнутой подставке. Его не так-то просто заставить покинуть свое место. Равновесие шарика можно считать устойчивым.

В чём же секрет устойчивости? В рассмотренных нами случаях шарик находится в равновесии: сила тяжести f_т, равна по модулю противоположно направленной силе упругости (силе реакции) N со стороны опоры. Всё дело, оказывается, именно в том малейшем отклонении, о котором мы упоминали. На рисунке 9 видно, что как только шарик на выпуклой подставке покинул свое место, сила тяжести f_т перестаёт уравновешиваться силой N со стороны опоры (сила N всегда направлена перпендикулярно поверхности соприкосновения шарика и подставки). Равнодействующая силы тяжести f_т и силы реакции опоры N, т. е. сила F, направлена так, что шарик ещё больше удалится от положения равновесия. Иное дело на вогнутой подставке (рис.10). При малом отклонении от первоначального положения здесь тоже нарушается равновесие. Сила упругости со стороны опоры и здесь уже не будет уравновешивать силу тяжести. Но теперь равнодействующая этих сил F_T направлена так, что тело вернётся в прежнее положение. В этом и состоит условие устойчивости равновесия.

Равновесие тела устойчиво, если при малом отклонении равновесного положения равнодействующая сил, приложенных к телу, возвращает его к положению равновесия.

Равновесие неустойчиво, если при малом отклонении тела от положения равновесия равнодействующая сил, приложенных к телу, удаляет его от этого положения.

Это справедливо и для тела, имеющего ось вращения. В качестве примера такого тела рассмотрим обыкновенную линейку, укрепленную на стержне, проходящем через отверстие вблизи ее конца. Из рисунка 11а видно, что положение линейки устойчиво. Если же подвесить ту же линейку так, как показано на другом рисунке 11б, то равновесие линейки будет неустойчивым.

Устойчивое и неустойчивое положения равновесия друг от друга ещё и положением центра тяжести тела.

Центром тяжести твёрдого тела, называют точку приложения равнодействующей всех сил тяжести, действующих на каждую частицу этого тела. Центр тяжести твёрдого тела совпадает с его центром масс. Поэтому центр масс часто называют центром тяжести. Однако между этими понятиями есть отличие. Понятие центра тяжести справедливо только для твёрдого тела, находящегося в однородном поле сил тяжести, а понятие центра масс не связано ни c каким силовым полем и справедливо для любого тела (механической системы).

Итак, для устойчивого равновесия центр тяжести тела должен находиться в самом низком из возможных для него положений.

Равновесие же тела, имеющего ось вращения, устойчиво при условии, что его центр тяжести расположен ниже оси вращения.

Возможно и такое положение равновесия, когда отклонения от него не приводит к каким-либо изменениям в состоянии тела. Таково, например, положение шарика на плоской опоре или линейки, подвешенной на стержне, проходящем через её центр тяжести. Такое равновесие называется безразличным.

Мы рассмотрели условие равновесия тел, имеющих точку опоры или ось опоры. Не менее важен случай, когда опора приходится не на точку (ось), а на некоторую поверхность.

Тело, имеющее площадь опоры, находится в равновесии; когда вертикальная прямая, проходящая через центр тяжести тела, не выходит за пределы площади опоры этого тела. Различают те же случаи равновесия тела, что упоминались выше. Однако равновесие тела, имеющего площадь опоры, зависит не только от расстояния его центра тяжести от Земли, но и от расположения и размеров площади опоры этого тела. Для того, чтобы можно было одновременно учитывать и высоту центра тяжести тела над Землёй, и значение его площади опоры, было введено понятие угол устойчивости тела.

Углом устойчивости называют угол, образованный горизонтальной плоскостью и прямой, соединяющей центр тяжести тела с краем площади опоры. Как видно из рисунка 12, угол устойчивости уменьшается, если каким-либо способом центр тяжести тела понижают (например, делают нижнюю часть тела более массивной или часть тела зарывают в Землю, т. е. создают фундамент, а также увеличивают площадь опоры тела). Чем меньше угол устойчивости, тем устойчивее равновесие тела.

Вывод: для того чтобы какое-либо тело находилось в равновесии, необходимо одновременное выполнение двух условий: во-первых, векторная сумма всех приложенных к телу сил должна быть равна нулю и, во-вторых, нулю должна быть равна и алгебраическая сумма моментов всех действующих на тело сил относительно произвольной неподвижной оси.